Omnidirektionaler Antrieb

Fußball-Roboter mit omnidirektionalem Antrieb und Omnivision

Ein omnidirektionaler Antrieb, englisch Omnidrive genannt, ist ein Antrieb mit einer speziellen Radkonstruktion, mit dem ein Fahrzeug jederzeit in eine beliebige Richtung fahren kann. Meistens wird dieser Antrieb in der Robotik verwendet und gehört bei Fußballrobotern neben der Omnivision seit Jahren zum Standard.

Aufbau und Funktion

Roboter mit omnidirektionalem Antrieb; realisiert mit drei Allseitenrädern (vereinfacht).

Das Kernstück eines omnidirektionalen Antriebs ist ein sogenanntes Allseitenrad oder omnidirektionales Rad, aus dem englischen auch Omniwheel genannt. Auf der Umlauffläche eines Hauptrades sind dabei weitere, meistens tonnenförmige Hilfsräder angebracht, deren Drehachsen im rechten Winkel zur Drehachse des Hauptrades liegen.

Wird das Hauptrad angetrieben, blockieren die Hilfsräder und dienen als Lauffläche des Hauptrades. Wird der Antrieb gestoppt und das Fahrzeug in eine andere Richtung bewegt, beispielsweise durch ein zweites, im rechten Winkel angebrachtes Omniwheel, drehen sich die Hilfsräder und minimieren somit den Reibungswiderstand des Rades. Durch diese Art der Konstruktion wird eine schnelle Fortbewegung in nahezu jedem Winkel zur Laufrichtung des Hauptrades ermöglicht.

Roboter mit omnidirektionalem Antrieb in verschiedenen Bewegungsrichtungen.
Geschwindigkeitsvektoren:
Roboter weiß; Antriebsgeschwindigkeit des Rades grün; Seitwärtsausgleich des Rades orange; Gesamtgeschwindigkeit des Rades blau; Drehpunkt gelb.

Alternative Bauformen

Skizze eines Mecanum-Rades.

Um die beiden wesentlichen Nachteile des Allseitenrades, den unruhigen Lauf und die geringe Traglast zu umgehen, gibt es im Wesentlichen zwei Alternativen.

Das Mecanum-Rad ähnelt den Allseitenrädern, besitzt jedoch deutlich weniger Hilfsräder. Diese sind prinzipiell als ballige Walzen ausgeführt, größer als beim Allseitenrad und unter 45° zur Drehachse angeordnet. Durch die andere Form der Hilfsräder ist es möglich, eine geschlossene Kontur der Lauffläche zu realisieren, die einen ähnlich ruhigen Lauf ermöglicht wie normale Räder. Allerdings haben kleinere Mecanum-Räder Probleme auf unebenem Untergrund und benötigen eine aufwändigere Lagerung, um die statische Überbestimmtheit zu umgehen.

Mecanum-Räder werden entweder in kleineren Robotern für die Forschung oder zum Bewegen sehr großer Lasten eingesetzt.

Kommerzielles Fahr-Dreh-Modul von Neobotix.

Ein Fahr-Dreh-Modul ist eine integrierte Baugruppe, die ein klassisches Antriebsrad enthält, das zusätzlich aktiv um seine Hochachse gedreht und ausgerichtet werden kann. Diese Lösung ist die technisch aufwändigste, besitzt aber auch klare Vorteile. Das einzelne große Antriebsrad kann auch auf unebenem oder schmutzigem Untergrund und sogar über kleinere Hindernisse (Kabel, Fugen) fahren, ohne dass es zu Schlupf und damit zu Odometrieproblemen kommt. Da alle Räder angetrieben und aktiv gelenkt werden, ist statische Überbestimmtheit in vielen Fällen unbedenklich und führt nicht zum Verlust der Kontrolle über das Fahrzeug. Ein Fahrzeug mit Fahr-Dreh-Modulen kann sich zwar omnidirektional aber nicht immer übergangslos bewegen, da vor dem Losfahren unter Umständen erst kurz die Räder ausgerichtet werden müssen.

Fahr-Dreh-Module werden vor allem in der Forschung an Servicerobotern wie zum Beispiel im Care-O-bot 3 und in der DESIRE-Technologieplattform eingesetzt.

Weblinks

• Omniwheels im RoboterNETZ Wiki
• Roboter Seekur auf Basis von Fahr-Dreh-Modulen
• Einzelne Fahr-Dreh-Module von Neobotix

Siehe auch

• Omnivision (Robotik)
• Mecanum-Rad
• Robotino