Vergleich von Antriebssystemen für mobile Roboter: 2WD, 4WD, 4WS und Raupenroboter

Das Antriebssystem eines mobilen Roboters bestimmt, wo er eingesetzt werden kann, welche Lasten er transportieren kann und wie präzise er sich positionieren kann – und macht dabei 10–25% der gesamten AMR-Stücklistenkosten sowie 25–40% des Energieverbrauchs aus.

In diesem Leitfaden werden die vier gängigsten Antriebsarchitekturen für AMR verglichen – 2WD-Differential, Skid-Steer-Allradantrieb (4WD), Allradlenkung (4WS) und Raupenantrieb – hinsichtlich Nutzlastkapazität, Positioniergenauigkeit, Bodenverträglichkeit, Energieeffizienz und Gesamtbetriebskosten. So können Entwicklungs- und Beschaffungsteams die Wahl des Fahrgestells anhand von Daten und nicht aufgrund von Marketingversprechen an die betrieblichen Anforderungen anpassen.

Vergleich von Antriebssystemen für mobile Roboter: 2WD, 4WD, 4WS und Raupenroboter

Kurz gesagt

1. Differentialantrieb mit Zweiradantrieb

Der 2WD-Differentialantrieb ist die einfachste und kostengünstigste Option. Er eignet sich gut für glatte, ebene Böden mit leichten bis mittleren Lasten. Wenn Ihre Anlage über ebene Epoxid- oder Betonböden verfügt und Sie Behälter oder kleine Paletten transportieren, sollten Sie hier beginnen.

2. Kompaktlader mit Allradantrieb

Ein Kompaktlader mit Allradantrieb bietet mehr Traktion und eine bessere Lastverteilung. Er bewältigt schwerere Nutzlasten und etwas unebenere Untergründe als ein Modell mit Zweiradantrieb, büßt dafür jedoch etwas an Bodenfreundlichkeit ein.

3. 4WS (Allradlenkung)

4WS (Allradlenkung) sorgt für Manövrierfähigkeit in alle Richtungen und höchste Positioniergenauigkeit. Es ist die richtige Wahl, wenn Sie eine Andockgenauigkeit von ±2 mm benötigen, in engen Gängen arbeiten oder Nutzlasten von über 1.000 kg transportieren.

4. Raupenantrieb

Der Raupenantrieb ist der Spezialist für den Einsatz im Freien und in unwegsamem Gelände. Er überwindet Hindernisse, die für Radroboter unüberwindbar sind, bewältigt steilere Steigungen und transportiert vergleichsweise schwerere Lasten – allerdings auf Kosten der Geschwindigkeit, der Energieeffizienz und der Bodenabnutzung in Innenräumen.

Es gibt kein “bestes” Antriebssystem. Welches das richtige ist, hängt von Ihrem Bodenbelag, den Anforderungen an die Nutzlast, den Platzverhältnissen, den Präzisionsanforderungen und Ihrem Budget ab.

Dieser Leitfaden führt Sie ausführlich durch jedes einzelne System, damit Sie Ihre Entscheidung auf der Grundlage technischer Details und nicht anhand von Marketing-Phrasen treffen können.

Warum Ihre Entscheidung für ein AMR-Antriebssystem alles, was danach kommt, bestimmt

Das Antriebssystem ist nicht nur eine Komponente unter vielen. Es ist die architektonische Entscheidung, die bestimmt, wie sich der Roboter bewegt, wo er eingesetzt werden kann, was er tragen kann, wie präzise er sich positioniert, wie viel Energie er verbraucht und wie hoch die Anschaffungs- und Wartungskosten sind.

Ändert man das Antriebssystem, ändert sich alles, was damit zusammenhängt: die Motorauslegung, die Batteriekapazität, die Steuerungsarchitektur, die Konfiguration des Sicherheitssystems, die Anforderungen an die Bodenvorbereitung sowie die Gesamtbetriebskosten über einen Flottenlebenszyklus von 5 bis 7 Jahren.

Dennoch wird das Antriebssystem in vielen Beschaffungsprozessen eher als ein Punkt auf einer Checkliste im Datenblatt behandelt denn als strategische Entscheidung. Dieser Artikel richtet sich an Ingenieure und Betriebsleiter, die diese Entscheidung auf der Grundlage realer Daten und nicht aufgrund von Marketingversprechen treffen müssen.

Inhalt dieses Artikels:

• Die vier heute bei industriellen mobilen Robotern vorherrschenden Antriebsarchitekturen sind der 2WD-Differentialantrieb, der 4WD-Skid-Steer-Antrieb, die 4WS-Einzelradlenkung und der Raupenantrieb
• Wie die einzelnen Systeme mechanisch und elektrisch funktionieren
• Leistungsdaten zu Nutzlast, Geschwindigkeit, Präzision, Bodenverträglichkeit und Energieverbrauch
• Ein Entscheidungsrahmen, der Ihre betrieblichen Anforderungen dem passenden Antriebssystem zuordnet
• Relevante Sicherheitsnormen (ISO 3691-4, ANSI/RIA R15.08) und der Einfluss der Wahl des Antriebssystems auf die Sicherheitsarchitektur

Was in diesem Artikel nicht behandelt wird:

• Mecanum- und Omni-Wheel-Systeme (hierbei handelt es sich um spezielle Konfigurationen für bestimmte Anwendungsfälle; diese werden in einem separaten Artikel behandelt)
• Fortbewegung auf Beinen oder hybride Fortbewegung (außerhalb des Anwendungsbereichs industrieller Rad- und Kettenfahrzeuge)
• Robotik für Verbraucher oder Hobbyisten

Vergleichstabelle für Antriebssysteme mobiler Roboter

AMR mit Zweiradantrieb und Differentialgetriebe

So funktioniert es

Ein Roboter mit Differentialantrieb verfügt über zwei unabhängig voneinander angetriebene Räder, die auf einer gemeinsamen Achse montiert sind, in der Regel in der Mitte des Fahrgestells. Ein oder mehrere passive Lenkrollen sorgen für das Gleichgewicht – zwei Lenkrollen bei einer 4-Rad-Anordnung oder vier Lenkrollen bei einer 6-Rad-Anordnung für schwerere Lasten.

Die Lenkung erfolgt ausschließlich über den Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem linken und dem rechten Antriebsrad. Werden beide Räder mit derselben Geschwindigkeit vorwärts angetrieben, fährt der Roboter geradeaus. Wird das linke Rad schneller angetrieben als das rechte, biegt der Roboter nach rechts ab. Werden beide Räder mit gleicher, aber entgegengesetzter Geschwindigkeit angetrieben, dreht sich der Roboter auf der Stelle um seinen Mittelpunkt.

Es gibt keinen Lenkmotor, kein Lenkgestänge, keinen Achsschenkel und keinen servogesteuerten Lenkwinkel. Die Antriebsmotoren übernehmen die gesamte Arbeit, und das Steuerungssystem ist entsprechend einfach: Ein modellprädiktiver PID-Regler, der die Geschwindigkeit jedes Rades auf der Grundlage der Rückmeldung des Encoders regelt.

Diese Einfachheit ist die größte Stärke der Architektur. Sie ist zugleich die Ursache für alle sich daraus ergebenden Einschränkungen.

Wichtige Komponenten

1. Zwei Antriebsmotoren

In der Regel bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) mit integriertem Planetengetriebe oder Harmonic-Getriebe. Üblicher Leistungsbereich: 200–750 W pro Motor für AMRs der Lagerklasse.

2. Inkrementalgeber

Einer pro Antriebsmotor, typischerweise 1.024–4.096 PPR (Impulse pro Umdrehung). Diese liefern die Geschwindigkeits- und Positionsrückmeldung für den Regelkreis. Bei Differentialantriebssystemen fehlen absolute Lenkgeber, da keine Lenkachse gemessen werden muss.

3. Passive Rollen

Rollen mit Polyurethan-Laufbelag, in der Regel mit einem Durchmesser von 75–150 mm, mit doppelt gelagerten Schwenkköpfen. Dabei handelt es sich um Verschleißteile, die im 24/7-Betrieb jährlich ausgetauscht werden.

4. Motortreiber/Steuerungen

CANopen- oder EtherCAT-vernetzte Antriebe, häufig mit integrierter STO-Funktion (Safe Torque Off) zur Einhaltung der funktionalen Sicherheit.

5. Federung (optional)

Federbelastete Rollenhalterungen oder ein zentraler Drehpunkt, um den Bodenkontakt auf leicht unebenen Böden aufrechtzuerhalten. Viele Roboter der Einstiegsklasse mit Differentialantrieb verfügen über keine Federung und sind auf einen ebenen Boden angewiesen.

Leistungsmerkmale

1. Nutzlast

In Standardkonfigurationen für den industriellen Einsatz bewältigen Roboter mit Zweiradantrieb Nutzlasten von bis zu 300–500 kg. Der begrenzende Faktor ist nicht das Motordrehmoment – man kann immer stärkere Motoren spezifizieren. Die eigentliche Einschränkung liegt in der Tragfähigkeit der Lenkrollen und dem Bodendruck. Jede Rolle trägt etwa die Hälfte der Nutzlast sowie einen Teil des Eigengewichts des Roboters. Bei einer Konfiguration mit vier 75-mm-Polyurethan-Rollen mit einer Tragfähigkeit von jeweils 150 kg liegt die praktische Nutzlastgrenze bei etwa 500 kg. Wir haben gesehen, dass Systemintegratoren diese Grenze mit 100-mm-Rollen auf 600 kg ausweiten, doch ab diesem Punkt verursacht die Bodenbelastung Wartungsprobleme.

Ab 500 kg verschleißen die Rollen zusehends, Bodenmarkierungen werden zum Problem, und der Bremsweg des Roboters unter Last überschreitet die von den Sicherheitsnormen zugelassenen Grenzwerte, sofern keine größeren, teureren Rollen und Motoren verbaut werden. Ab diesem Punkt sind Allradantrieb (4WD) oder Allradlenkung (4WS) die wirtschaftlichere Wahl.

2. Geschwindigkeit

1,5–2,0 m/s (5,4–7,2 km/h) ist der typische Betriebsbereich für AMRs mit Differentialantrieb der Lagerklasse. Dies ist für die meisten intralogistischen Aufgaben schnell genug – ein Roboter, der sich mit 1,8 m/s bewegt, legt einen 100 Meter langen Lagergang in weniger als einer Minute zurück. Höhere Geschwindigkeiten sind möglich, erfordern jedoch gemäß ISO 3691-4 zusätzliche Anforderungen an die Reichweite der Sicherheitssensoren.

3. Positioniergenauigkeit

 Die Hersteller geben für Roboter mit Differentialantrieb unter realen Betriebsbedingungen eine Genauigkeit von ±10 mm an. Dieser Wert setzt einen gut gepflegten Boden, Vollgummireifen und eine regelmäßige Kalibrierung der Encoder voraus. Kommt es jedoch zu Staub, Feuchtigkeit oder Unebenheiten, verschlechtert sich die Genauigkeit rapide – Radschlupf führt zu Odometriefehlern, die der Encoder allein nicht erkennen kann.

Dies ist die grundlegende Grenze der Präzision beim Differentialantrieb. Das System leitet den Lenkwinkel und die Position indirekt aus der Radgeschwindigkeit ab. Wenn ein Rad durchdreht, meldet der Encoder eine Bewegung, die gar nicht stattgefunden hat. Das Steuerungssystem hat keine eigenständige Möglichkeit zu erkennen, dass es getäuscht wurde. IMUs und SLAM-basierte Lokalisierung gleichen dies auf Navigationsebene aus – doch die Genauigkeit der Kursschätzung auf Fahrtebene bleibt begrenzt, ganz gleich, wie gut Ihr Navigationsstack auch sein mag.

4. Anforderungen an den Bodenbelag

Glatt, eben, waagerecht und sauber. Roboter mit Differentialantrieb benötigen einen ständigen Bodenkontakt beider Antriebsräder. Eine Vertiefung, eine Erhebung oder Fremdkörper, die ein Antriebsrad auch nur um wenige Millimeter anheben, führen dazu, dass der Roboter vom Kurs abweicht, da das angehobene Rad frei durchdreht, während das auf dem Boden aufliegende Rad den Roboter in einem Bogen antreibt. Epoxidharzbeschichtete Betonböden in gutem Zustand sind ideal. Polierter Beton mit einem Reibungskoeffizienten unter 0,5 kann zu Rutschen führen. Die Ebenheit des Bodens sollte mindestens den Anforderungen FF35/FL25 gemäß den ACI 117-Spezifikationen entsprechen oder diese übertreffen.

5. Energieeffizienz

Der Differentialantrieb ist die energieeffizienteste Konfiguration für Radfahrzeuge. Da nur zwei Antriebsmotoren und keine lenkungsbezogenen Stellantriebe Energie verbrauchen, sind die parasitären Verluste geringer als bei jeder anderen Antriebsarchitektur. Ein typisches AMR mit Differentialantrieb und einer Nutzlast von 200 kg verbraucht bei gleichmäßiger Fahrt auf ebenem Untergrund 400–800 W, was einer Betriebsdauer von 6–8 Stunden mit einer 48 V/60 Ah LiFePO₄-Batterie entspricht.

6. Kosten

Das Antriebssystem – bestehend aus zwei Baugruppen (Motor + Getriebe + Encoder + Treiber), zwei Antriebsrädern und einem Satz Lenkrollen – kostet auf Stücklistenebene für Komponenten in Industriequalität zwischen $2.000 und $5.000. Das ist Ihre Ausgangsbasis. Jede andere Konfiguration wird an dieser Zahl gemessen.

Wann sollte man sich für einen 2WD-Differentialantrieb entscheiden?

Wählen Sie den Differentialantrieb, wenn:

• Ihre Ladungen wiegen weniger als 500 kg
• Ihre Böden sind glatt, eben und in gutem Zustand
• Deine Routen sind relativ einfach (Punkt-zu-Punkt, keine engen Manöver)
• Sie führen eine groß angelegte Bereitstellung durch, und die Kosten pro Einheit spielen eine wichtige Rolle
• Ihre Andocktoleranz beträgt ±10 mm oder mehr
• Sie möchten ein möglichst einfaches Wartungsprofil

Wählen Sie den Differentialantrieb nicht, wenn:

• Ihre Böden weisen Gefälleänderungen, Dehnungsfugen oder Unebenheiten auf
• Du musst dich seitwärts (wie ein Krabbe) bewegen können
• Sie benötigen eine Andockgenauigkeit, die besser ist als ±5 mm
• Ihre Nutzlast überschreitet 500 kg
• Sie arbeiten in nassen, staubigen oder schmutzanfälligen Umgebungen, in denen es leicht zu Radschlupf kommen kann

Antrieb eines mobilen 4WD-Kompaktladers

So funktioniert es

Ein Allrad-Kompaktlader-Roboter verfügt über vier Antriebsräder, die in zwei Paaren angeordnet sind, jeweils eines auf jeder Seite. Alle Räder auf jeder Seite sind mechanisch miteinander verbunden oder elektronisch synchronisiert, sodass sie sich mit derselben Drehzahl drehen. Die Lenkung erfolgt durch eine Drehzahldifferenz zwischen der linken und der rechten Seite – nach dem gleichen Prinzip wie bei einem Differential mit Zweiradantrieb, jedoch mit vier Antriebsrädern anstelle von zwei.

Der entscheidende Vorteil gegenüber dem Zweiradantrieb ist die Traktion. Mit vier statt zwei Aufstandsflächen kann der Roboter mehr Motordrehmoment auf den Boden übertragen, bevor es zum Durchdrehen der Räder kommt. Dies führt direkt zu einer höheren Nutzlastkapazität, einer besseren Steigfähigkeit und einer zuverlässigeren Fortbewegung auf Böden mit mäßiger Verschmutzung (Staub, leichte Feuchtigkeit).

Der Nachteil ist das Schleudern. Wenn ein Roboter mit Allradantrieb abbiegt, rutschen die äußeren Räder seitlich über den Boden, da ihre Ausrichtung fest vorgegeben ist. Bei Polyurethanrädern auf Epoxidharzboden hört man ein charakteristisches Quietschen – und man beobachtet einen beschleunigten Reifenverschleiß, insbesondere an den Vorder- und Hinterrädern, die bei Kurvenfahrten die größte seitliche Strecke zurücklegen. Wer schon einmal einen Kompaktlader auf Beton arbeiten gesehen hat, weiß genau, wie sich das anhört.

Wichtige Komponenten

1. Vier Antriebsmotoren

Je ein Motor pro Rad, bei Robotern der Lagerklasse in der Regel mit einer Leistung von jeweils 200–750 W. BLDC-Motoren mit Planetengetrieben sind nach wie vor der Standard. Bei einigen Konstruktionen werden zwei größere Motoren verwendet, um jede Seite über einen mechanischen Antriebsstrang (Riemen oder Kette) anzutreiben, was zwar die Anzahl der Motoren reduziert, aber die mechanische Komplexität erhöht.

2. Motorsynchronisation

Die elektronische Synchronisation über CANopen oder EtherCAT ist der moderne Ansatz. Ältere oder kostengünstigere Konstruktionen nutzen eine mechanische Kopplung (ein Motor pro Seite mit Antriebswelle und Differential), wodurch jedoch eine unabhängige Radsteuerung nicht mehr möglich ist.

3. Aussetzung

Bei Allradantrieb (4WD) ist dies entscheidender als bei Zweiradantrieb (2WD). Verliert ein Rad auf unebenem Untergrund den Bodenkontakt, verliert der Roboter auf dieser Seite proportional zum Kontaktverlust an Traktion. Bei hochwertigen 4WD-Robotern ist eine Rocker-Bogie- oder unabhängige Schwingarmfederung üblich. Die Federvorspannung muss sorgfältig abgestimmt werden – ist sie zu weich, schwankt der Roboter unter Last; ist sie zu hart, lässt sich die Aufhängung nicht richtig auslenken.

4. Reifen

Größerer Durchmesser als bei entsprechenden 2WD-Modellen (typischerweise 200–400 mm gegenüber 125–250 mm), um den Federweg auszugleichen und die höheren Belastungen zu verteilen. Polyurethan bleibt Standard; Luftreifen kommen bei 4WD-Robotern zum Einsatz, die im Freien eingesetzt werden können.

Leistungsmerkmale

1. Nutzlast

Allrad-Kompaktlader-Roboter bewältigen routinemäßig Lasten von 200 bis 2.000 kg. Der untere Bereich (200–500 kg) ist für kompakte Lagerroboter vorgesehen; der obere Bereich (1.000–2.000 kg) für palettenbewegende AMRs und autonome Gabelstapler. Da die Last auf vier Aufstandsflächen verteilt wird, ist der Bodendruck pro Rad geringer als bei einem Roboter mit Zweiradantrieb, der die gleiche Nutzlast trägt, wodurch der Bodenverschleiß und Ausfälle aufgrund der Lenkrollen reduziert werden.

2. Geschwindigkeit

1,5–2,5 m/s. In der Praxis schneller als ein Fahrzeug mit Zweiradantrieb, da die zusätzliche Traktion eine stärkere Beschleunigung und Verzögerung ohne Radschlupf ermöglicht. Die Höchstgeschwindigkeit wird in der Regel durch die Reichweite des Sicherheitssensors begrenzt, nicht durch die Leistungsfähigkeit des Motors.

3. Positioniergenauigkeit

±5–10 mm. Besser als bei einem Fahrzeug mit Zweiradantrieb (2WD), da der geringere Radschlupf die Zuverlässigkeit der encoderbasierten Odometrie erhöht. Allerdings bringt der Schwenkrad-Lenkmechanismus eine eigene Fehlerquelle mit sich – während einer Kurvenfahrt ist der seitliche Reifenabrieb unvorhersehbar und hängt von den Bodenverhältnissen, dem Reifenverschleiß und der Lastverteilung ab.

4. Anforderungen an den Bodenbelag

Flacher und robuster als bei Fahrzeugen mit Zweiradantrieb erforderlich. Bei jeder Kurvenfahrt übt der Kompaktlader seitliche Kräfte auf die Bodenoberfläche aus. Epoxidbeschichtungen müssen ordnungsgemäß haften und eine ausreichende Dicke aufweisen, um einer Delaminierung standzuhalten. Betonböden sollten versiegelt werden, um Staubentwicklung durch Reifenabrieb zu verhindern. Auf der Bodenoberfläche werden innerhalb weniger Wochen nach Inbetriebnahme sichtbare Abnutzungsspuren entlang der Fahrwege des Roboters auftreten – dies ist normal und sollte bei der Instandhaltung der Anlage einkalkuliert werden.

5. Energieeffizienz

Geringer als bei einem 2WD-Roboter aufgrund der vier Motoren und der Energieverluste durch Reifenabrieb in Kurven. Im Vergleich zu einem 2WD-Roboter mit ähnlichem Gewicht ist mit einem um 15–25% höheren Energieverbrauch pro zurückgelegtem Meter zu rechnen. In einer typischen AMR-Anwendung im Lager verbraucht ein 4WD-Roboter im stationären Fahrbetrieb 600–1.000 W.

6. Kosten

Das Antriebssystem kostet das 1,5- bis 2-Fache des entsprechenden Modells mit Zweiradantrieb. Vier Baugruppen aus Motor, Getriebe und Encoder, vier Treiber, vier Räder und ein Federungssystem summieren sich. Die Federung ist der größte Einzelkostenfaktor – eine ordentliche Einzelradaufhängung mit gefrästen Schwingarmen und Feder-Dämpfer-Einheiten kann genauso viel kosten wie die Motoren, die sie trägt.

Wann sollte man sich für einen Kompaktlader mit Allradantrieb entscheiden?

Entscheiden Sie sich für einen Kompaktlader mit Allradantrieb, wenn:

• Ihre Nutzlasten liegen zwischen 500 und 2.000 kg
• Ihre Böden sind im Allgemeinen eben, können jedoch geringfügige Unebenheiten aufweisen.
• Für das Beschleunigen, Abbremsen oder das Befahren leichter Steigungen benötigen Sie eine bessere Traktion als bei einem Fahrzeug mit Zweiradantrieb.
• Ihr Budget lässt einen Kostenaufschlag von 1,5–2× gegenüber einem Fahrzeug mit Zweiradantrieb zu
• Sie nehmen eine gewisse Abnutzung des Bodenbelags durch den Kompaktlader in Kauf

4WS-AGV/AMR mit Allradlenkung

So funktioniert es

Ein 4WS-Roboter verfügt über vier unabhängig voneinander lenkbare Antriebsräder – eines an jeder Ecke des Fahrgestells. Jede Radbaugruppe (manchmal auch als “Lenkradantrieb” oder “Steuerantrieb” bezeichnet) umfasst zwei Motoren: einen Antriebsmotor, der das Rad vorwärts und rückwärts antreibt, und einen Lenkmotor, der die gesamte Radbaugruppe um eine vertikale Achse dreht.

Diese Architektur mit zwei Motoren pro Rad ermöglicht es dem Steuerungssystem, sowohl die Geschwindigkeit als auch den Lenkwinkel jedes einzelnen Rades unabhängig voneinander zu steuern. Das Ergebnis ist echte omnidirektionale Mobilität: Der Roboter kann sich vorwärts, rückwärts, seitwärts (Krabbenmodus), diagonal oder auf der Stelle drehen und zwischen diesen Modi wechseln, ohne anzuhalten.

Der Präzisionsvorteil ergibt sich aus dem Absolutwertgeber an jeder Lenkachse. Im Gegensatz zum Differentialantrieb, bei dem der Lenkwinkel aus der Radgeschwindigkeit abgeleitet wird (eine indirekte Messung, die anfällig für Schlupf ist), misst das 4WS-System den tatsächlichen Lenkwinkel direkt an jedem Rad. Ein typischer Lenkgeber hat eine Auflösung von ±0,1°, was einer seitlichen Steuerung im Submillimeterbereich auf Fahrwerksniveau entspricht.

Hauptkomponenten (pro Rad)

1. Fahrmotor

BLDC-Motor mit Planetengetriebe, 200 W–2 kW je nach Nutzlastklasse. Läuft in der Regel mit 24–48 VDC und verfügt über eine integrierte Haltebremse.

2. Lenkmotor

Kleiner als der Fahrmotor (100–500 W), mit einem Schnecken- oder Harmonic-Getriebe mit hoher Übersetzung, um den Lenkwinkel gegen die Straßenkräfte zu halten. Das Getriebe muss rückdrehbar genug sein, damit der Lenkgeber externe Störungen erfassen kann, aber gleichzeitig steif genug, um die Position unter Last zu halten.

3. Absolutwertgeber (Lenkachse)

Diese Komponente macht den Präzisionsvorteil der Architektur aus. In der Regel handelt es sich um einen Multiturn-Absolutwertgeber mit einer Auflösung von 17–19 Bit, der auch nach einem Stromausfall eine exakte Winkelmessung gewährleistet. Beim Start ist keine Referenzierungsroutine erforderlich.

4. Inkrementalgeber (Antriebsachse)

Standard-Quadratur-Drehgeber, 1.024–4.096 PPR.

5. Lenklager

Ein Schwenkring mit großem Durchmesser oder ein Kreuzrollenlager, das die gesamte vertikale Last dieser Ecke des Roboters sowie die Nutzlast trägt und gleichzeitig eine reibungslose Drehung ermöglicht. Hierbei handelt es sich um ein kostspieliges, hochpräzises Bauteil.

6. Treiber/Steuerung

Ein zweiachsiger Servoantrieb, der den Regelkreis sowohl für den Lenkwinkel als auch für die Antriebsgeschwindigkeit gleichzeitig schließt. EtherCAT mit FSoE (FailSafe over EtherCAT) zur Integration der funktionalen Sicherheit.

Leistungsmerkmale

1. Nutzlast

4WS ist die Architektur für hohe Nutzlasten. Einzelne Lenk- und Antriebseinheiten von Herstellern wie SEW-Eurodrive und CFA bieten Tragfähigkeiten von 500 kg bis über 6.500 kg pro Radaufhängung. Ein vierrädriger 4WS-Roboter mit entsprechend dimensionierten Lenk- und Antriebseinheiten kann Nutzlasten bewältigen, die mit jeder anderen Konfiguration nicht realisierbar wären.

Aus diesem Grund ist 4WS die vorherrschende Architektur für autonome Gabelstapler, schwere Palettentransporter und Logistikplattformen im Außenbereich. Wenn Sie 2.000 kg Material transportieren und es mit einer Wiederholgenauigkeit von ±2 mm an einer Produktionslinie andocken müssen, ist 4WS die einzige Radarchitektur, die beide Anforderungen gleichzeitig erfüllen kann.

2. Geschwindigkeit

1,0–2,0 m/s. Die Höchstgeschwindigkeit wird in der Regel durch Sicherheitsaspekte und die Fähigkeit des Lenksystems begrenzt, die Winkelsteuerung unter dynamischen Belastungen aufrechtzuerhalten, nicht durch die Motorleistung. Bei höheren Geschwindigkeiten müssen die Lenkmotoren stärker arbeiten, um den Lenkwinkel gegen die Kurvenkräfte aufrechtzuerhalten, und die Bandbreite des Regelkreises wird zum begrenzenden Faktor.

3. Positioniergenauigkeit

±2–5 mm am Andockpunkt, mit einer Wiederholgenauigkeit von bis zu ±2 mm unter kontrollierten Bedingungen. Dies ist der entscheidende Vorteil dieser Architektur. Die Kombination aus direkter Lenkwinkelmessung (Absolut-Encoder), unabhängiger Radsteuerung und der Möglichkeit, die Position durch seitliche Bewegungen zu korrigieren, ohne das Fahrgestell neu ausrichten zu müssen, ermöglicht eine Präzision, die Differential- und Skid-Steer-Systeme nicht erreichen können.

Dies ist vor allem bei Anwendungen wie der Handhabung von Halbleiterwafern, der präzisen Zuführung in Fertigungsstraßen und dem Transport von Proben in Krankenhäusern von entscheidender Bedeutung, wo ein Positionierungsfehler von 10 mm zu einem Fehlgriff oder einer Kollision führen kann.

4. Manövrierfähigkeit: Rundstrahlend. Die vier Standardmodi sind:

• Ackermann-Modus: Die Vorderräder sind lenkbar, die Hinterräder feststehend – genau wie bei einem Auto. Effizient für lange, gerade Strecken.
• Krabbenmodus: Alle vier Räder werden im gleichen Winkel gelenkt. Der Roboter bewegt sich diagonal oder seitwärts, wobei die Ausrichtung des Fahrgestells beibehalten wird. Dies ist entscheidend für das Andocken in schmalen Gängen.
• Drehung mit Radius Null: Die Räder lenken tangential zu einem Kreis, dessen Mittelpunkt der Roboter bildet. Der Roboter dreht sich an Ort und Stelle, ohne sich dabei vorwärts zu bewegen – dies führt zu weniger Bodenabnutzung als bei einer Drehung mit Seitenschwenklenkung.
• Unabhängiger Modus: Jedes Rad lässt sich in einen eigenen Winkel lenken. Dies wird für spezielle Manöver genutzt, beispielsweise zum Drehen um eine Ecke.

5. Anforderungen an den Bodenbelag

Geringere Anforderungen an die Ebenheit als beim Differentialantrieb, da die Einzelradaufhängung an jeder Ecke den Bodenkontakt auch bei mäßigen Unebenheiten aufrechterhält. Allerdings muss der Boden eine gleichbleibende Reibung bieten – eine rutschige Stelle unter einem Rad während eines Präzisionsmanövers kann dazu führen, dass dieses Rad die Lenkfähigkeit verliert, woraufhin das Lokalisierungssystem des Roboters den Fehler erkennt und ihn zum Stillstand bringt, wodurch das Manöver fehlschlägt.

6. Energieeffizienz

Die energieintensivste der Konfigurationen mit Rädern. Acht Motoren (vier Antriebs- und vier Lenkmotoren) verbrauchen auch dann Energie, wenn der Roboter stillsteht, da die Lenkmotoren die Position gegen äußere Kräfte halten müssen. In der Praxis verbrauchen 4WS-Roboter pro Meter 25–40% mehr Energie als vergleichbare 2WD-Roboter. Dies führt zu größeren Batterien, längeren Ladezeiten oder einer verkürzten Betriebsdauer bei gleicher Batteriekapazität.

7. Kosten

Das Antriebssystem ist 3–5-mal so teuer wie ein 2WD-Differential. Rechnen Sie selbst nach: vier Doppelmotor-Lenk-Antriebseinheiten mit Absolutwertgebern, vier zweiachsige Servoantriebe, vier Schwenklager und die Kabelbäume. Eine Lenkantriebseinheit in Industriequalität – Motor, Getriebe, Encoder, Lager, ohne Treiber – kostet je nach Belastungsklasse $1.500–$4.000. Multiplizieren Sie das mit vier. Rechnen Sie vier zweiachsige Antriebe zu je $1.000–$2.000 hinzu. Damit liegen die Kosten allein für das Antriebssystem bei $10.000–$24.000 pro Roboter – noch ohne Chassis, Akku, Sensoren oder Steuerungssystem. Das ist der Preis für Präzision.

Diese Kosten sind gerechtfertigt, wenn die Anforderungen an Präzision und Nutzlast dies erfordern. Sie sind jedoch nicht gerechtfertigt, wenn ein Roboter mit Zweiradantrieb dieselben Betriebsanforderungen zu einem Viertel der Kosten des Antriebssystems erfüllen würde.

Wann sollte man sich für 4WS (Allradlenkung) entscheiden?

Entscheiden Sie sich für 4WS, wenn:

• Sie benötigen eine Andockgenauigkeit von ±5 mm oder besser
• Ihre Anlage verfügt über schmale Gänge, die eine seitliche (Krabben-)Bewegung erfordern
• Ihre Nutzlast beträgt mehr als 1.000 kg
• Der Roboter muss die Richtung wechseln können, ohne sein Fahrgestell neu auszurichten (angeschlossene Förderbänder, empfindliche Nutzlasten)
• Ihre Fahrbahn ist so uneben, dass ein Differential mit Zweiradantrieb die Traktion verlieren würde
• Ihre Anwendung erfordert, dass sich der Roboter in beengten Räumen in verschiedene Richtungen bewegt.

Wählen Sie „4WS“ nicht aus, wenn:

• Ein 2WD- oder 4WD-System erfüllt Ihre Anforderungen an Präzision und Nutzlast zu geringeren Kosten
• Ihr Team ist nicht auf die Komplexität der Wartung vorbereitet (vier Doppelmotor-Baugruppen, acht zu kalibrierende Encoder, mehr Fehlermöglichkeiten).
• Ihr Energiebudget ist begrenzt (4WS hat gegenüber 2WD einen Energieverlust von 25–40%)

Kettenfahrende mobile Roboter

So funktioniert es

Bei einem Raupenantrieb werden die Räder durch durchgehende Raupenketten ersetzt – verstärkte Gummi- oder Stahlbänder, die um eine Reihe von Antriebskettenrädern, Leiträdern und Stützrollen auf jeder Seite des Roboters laufen. Jede Raupenkette wird unabhängig von den anderen durch einen Motor über ein Antriebsrad angetrieben, und die Lenkung erfolgt über die Skid-Steer-Methode: Dabei wird die Geschwindigkeit der linken Raupenkette im Verhältnis zur rechten variiert.

Das entscheidende mechanische Merkmal ist die große Aufstandsfläche. Während ein Radroboter sein Gewicht auf vier kleine Aufstandsflächen (die Reifenspuren) verteilt, verteilt ein Raupenroboter dasselbe Gewicht über die gesamte Länge und Breite beider Raupen. Dadurch wird der Bodendruck drastisch reduziert, weshalb Kettenfahrzeuge weiche Untergründe befahren können, in denen Radfahrzeuge versinken – Sand, Schlamm, Schnee, loser Schotter und weicher Boden.

Die Nachteile sind die mechanische Komplexität, eine geringere Geschwindigkeit, ein höherer Energieverbrauch sowie die Gefahr von Beschädigungen an den Bodenbelägen in Innenräumen.

Wichtige Komponenten

1. Antriebskettenräder

Aus Stahl oder Aluminium, mit Zähnen, die in die Antriebsnocken der Kette eingreifen. Der Motor treibt das Kettenrad direkt über ein Planetengetriebe an. Größere Kettenräder verringern die Kettenspannung und den Verschleiß, erhöhen jedoch die Gesamtbreite des Roboters.

2. Umlenkräder

Antriebslose Räder an der Vorder- und Hinterachse, die die Kettenspannung aufrechterhalten und die Kette auf ihrer Umlaufbahn führen. Sie sind in der Regel an Spannvorrichtungen (Gewindeversteller oder federbelastete Mechanismen) angebracht, um die richtige Kettenspannung einzustellen.

3. Laufräder/Stützrollen

Kleinere Räder zwischen den Laufrollen tragen das Gewicht des Roboters entlang der unteren Kette. Anzahl und Abstand sind entscheidende Konstruktionsparameter – mehr Laufräder verteilen den Bodendruck gleichmäßiger, erhöhen jedoch das Gewicht und den Rollwiderstand.

4. Titel

Mit Stahl- oder Kevlar-Korden verstärkter Gummi ist bei Industrierobotern Standard. Stahlketten mit Gummipuffern kommen in Anwendungen mit extremer Beanspruchung zum Einsatz (z. B. im Bauwesen und im Bergbau). Die Kettenbreite und das Profil werden entsprechend dem jeweiligen Gelände ausgewählt.

5. Motoren

Höheres Drehmoment als bei vergleichbaren Radrobotern, da der Raupenantrieb mechanisch weniger effizient ist. Ein Raupenroboter, der die gleiche Nutzlast wie ein Radroboter trägt, benötigt etwa 25–50% mehr Motordrehmoment, um die Reibung der Raupen zu überwinden.

6. Aussetzung

Laufräder sind in der Regel auf einem Drehgestell oder einer Torsionsstabfederung montiert, um den Kontakt der Ketten mit unebenem Gelände aufrechtzuerhalten. Dies ist unverzichtbar – ein Kettenroboter ohne Federung verliert die Kettenspannung und die Ketten springen auf unebenem Gelände ab.

Leistungsmerkmale

1. Verhältnis von Nutzlast zu Gewicht

Kettenroboter können im Verhältnis zu ihrem Gewicht eine proportional größere Nutzlast transportieren als Radroboter. Ein 100 kg schwerer Kettenroboter kann eine Nutzlast von 100 kg transportieren (Verhältnis 1:1). Ein vergleichbarer Radroboter trägt 25–33% seines Eigengewichts. Dies macht den Raupenantrieb attraktiv für Anwendungen, bei denen der Roboter selbst klein und leicht sein muss, die Nutzlast jedoch beträchtlich ist – beispielsweise bei der Aufklärung, im Katastropheneinsatz oder bei Probenahmen in der Landwirtschaft.

2. Geländegängigkeit

Kettenroboter bewältigen steilere Steigungen (getestet bis zu 34°, gegenüber ca. 31° bei Radrobotern), überwinden Hindernisse, die 60–100% höher sind, und halten auf Hängen mit mehr als 15° besser die Fahrspur ein. Auf weichen Untergründen – Sand, Schlamm, Schnee, lockerer Erde – bewegen sich Raupenroboter dort, wo Radroboter einsinken und stecken bleiben. Dies ist der entscheidende Vorteil dieser Bauweise und der Grund, warum sie bei Anwendungen im Freien, im Gelände und auf unwegsamem Terrain dominiert.

3. Geschwindigkeit

0,5–1,5 m/s bei industriellen Raupenrobotern. Das ist langsamer als bei vergleichbaren Radfahrzeugen (die in der Regel 1,5–2,5 m/s erreichen). Die Geschwindigkeitsbegrenzung hat zwei Ursachen: Die Reibung der Ketten nimmt mit der Geschwindigkeit zu, und Kettenfahrzeuge lassen sich schwerer zum Stillstand bringen, da die große Aufstandsfläche, die für die Tragfähigkeit sorgt, beim Bremsen auch zu einer stärkeren Impulsübertragung auf den Boden führt.

4. Positioniergenauigkeit

±10–20 mm, der geringste Wert der vier Architekturen. Ein Kettenrutschen ist bei der Skid-Steering-Steuerung unvermeidbar – die Ketten müssen bei Kurvenfahrten seitlich über den Boden gleiten, und das Ausmaß des Rutschens hängt von der Art der Oberfläche, der Bodenfeuchtigkeit, der Kettenspannung und dem Kettenverschleiß ab. Die Wegmessung über Motor-Encoder ist dementsprechend unzuverlässig. Für eine präzise Positionierung bei Raupenrobotern sind GPS, visuelles SLAM oder eine externe Lokalisierungsinfrastruktur (z. B. Reflektoren oder Magnetband) erforderlich.

5. Eignung für Innenböden

Schlecht. Gummiketten hinterlassen auf Epoxidharz- oder poliertem Beton sichtbare Spuren. Stahlverstärkte Ketten können beschichtete Böden zerkratzen. Die Seitwärtsbewegung des Kompaktladers schrubbt die Bodenoberfläche ab. Raupenroboter werden für fertige Innenböden generell nicht empfohlen. Muss ein Raupenroboter dennoch in Innenräumen eingesetzt werden (z. B. ein Bauroboter, der sich zwischen Innen- und Außenbereichen bewegt), sind Maßnahmen zum Schutz des Bodens erforderlich, und die Einrichtung sollte Mittel für eine regelmäßige Bodenauffrischung einplanen.

6. Energieeffizienz

Die energieintensivste aller Antriebsarchitekturen. Die Reibung der Ketten, die große Anzahl rotierender Elemente (Antriebsräder, Umlenkrollen, Laufräder) und die ständige Verformung der Kette während ihres Umlaufs verbrauchen Energie. Kettenroboter verbrauchen auf gleichem Untergrund 25–30% mehr Energie als Radroboter und in unwegsamem Gelände 50% oder mehr. Ein Kettenroboter, der mit einer Batterie 4 Stunden lang betrieben werden kann, hat möglicherweise ein Radroboter-Äquivalent, das 6–8 Stunden lang läuft.

7. Kosten

Das Antriebssystem ist 1,5–2,5-mal so teuer wie ein Differential mit Zweiradantrieb. Ketten sind Verschleißteile – ein Satz industrieller Gummiketten kostet $500–$2.000 und hält je nach Abriebfestigkeit des Geländes 1.000–3.000 Betriebsstunden. Der Austausch der Raupenketten ist ein wesentlicher Wartungsposten, der bei Radrobotern nicht anfällt.

Wann sollte man sich für einen Raupenantrieb entscheiden?

Wählen Sie einen Raupenantrieb, wenn:

• Sie nutzen das Gerät hauptsächlich im Freien auf unbefestigtem, weichem oder unebenem Untergrund
• Du musst Hänge mit einer Steigung von über 20° erklimmen.
• Du musst Hindernisse überwinden, die höher als 80 mm sind
• Das Verhältnis von Nutzlast zu Robotergewicht muss hoch sein (0,5:1 oder mehr)
• Der Verschleiß des Fußbodens in Innenräumen ist kein Problem (oder Sie nutzen die Schuhe nur für kurze Wege in Innenräumen)

Wählen Sie keinen Raupenantrieb, wenn:

• Ihre Hauptarbeitsfläche ist ein verlegter Innenboden.
• Sie benötigen eine Positioniergenauigkeit von besser als ±10 mm
• Sie benötigen Fahrgeschwindigkeiten von über 1,5 m/s
• Die Akkulaufzeit und die Energieeffizienz sind entscheidende betriebliche Einschränkungen
• Sie führen eine groß angelegte Bereitstellung durch und möchten den Austausch von Schienen als wiederkehrende Wartungskosten vermeiden

Direkter Vergleich von Antriebssystemen für mobile Roboter anhand von Entscheidungskriterien

Nutzlast Kapazität

2WD-Differential:     ████████░░░░░░░░░░   Bis zu 500 kg
Allrad-Kompaktlader: ██████████████░░░░   Bis zu 2.000 kg
4WS-Lenkung: ██████████████████   Bis zu 6.500+ kg
Raupenantrieb: ████████████░░░░░░   Bis zu 2.000+ kg
 (jedoch ausgezeichnetes Nutzlast-Gewichts-Verhältnis)

Positionsgenauigkeit (je niedriger, desto besser)

Der Unterschied zwischen ±10 mm und ±2 mm mag gering erscheinen. In einer Produktionsumgebung ist dies jedoch der Unterschied zwischen einem Roboter, der in 99,51 % der Fälle zuverlässig andockt, und einem, bei dem mehrmals pro Schicht ein manueller Eingriff erforderlich ist.

Verträglichkeit mit Bodenbelägen

Kostenstruktur über einen Lebenszyklus von fünf Jahren

Dies sind Schätzungen in der Größenordnung für einen einzelnen Roboter, der eine Schicht pro Tag im Einsatz ist. Ein 24/7-Betrieb mit drei Schichten erhöht die Verbrauchsmaterial- und Wartungskosten um etwa das 2,5- bis 3-Fache. Bei einer Flotte von 10 Robotern verzehnfachen sich diese Kosten, wobei jedoch gewisse Skaleneffekte beim Ersatzteilbestand und beim Zeitaufwand für Techniker zum Tragen kommen.

Wie wählt man das richtige AMR-Antriebssystem aus?

Die Entscheidung für ein Antriebssystem lässt sich auf fünf Fragen reduzieren. Beantworten Sie diese der Reihe nach.

Frage 1: Wo wird der Roboter eingesetzt?

• Glatte Innenböden (Epoxidharz, polierter Beton): 2WD, 4WD oder 4WS sind allesamt realisierbar. 2WD ist der kostenoptimale Ausgangspunkt.
• Unebene Fußböden in Innenräumen (unversiegelter Beton, Risse, Fugen): Allradantrieb (4WD) oder Allradlenkung (4WS). Bei Zweiradantrieb (2WD) geht die Traktion verloren und das Fahrzeug gerät ins Schleudern.
• Im Freien, unbefestigte, weiche oder geneigte Oberflächen: Kettenfahrzeuge. Fahrzeuge mit Radausrüstung funktionieren nicht zuverlässig.
• Kombiniert (drinnen/draußen): 4WS (mit Luftreifen) oder mit Raupen, je nach Toleranz der Bodenbeschichtung in der Halle.

Frage 2: Wie hoch ist Ihre maximale Nutzlast?

• < 500 kg: Ein 2WD-Differential ist ausreichend und am kostengünstigsten.
• 500–1.000 kg: Kompaktlader mit Allradantrieb oder 4WS. Der Zweiradantrieb stößt an seine Grenzen.
• 1.000–2.000 kg: 4WS ist die Standardausführung. 4WD ist bei entsprechender Motorauslegung möglich.
• > 2.000 kg: 4WS ist die einzige praktikable Radfahrwerk-Architektur. Kettenantrieb kommt nur dann in Frage, wenn die Bodenbeschaffenheit dies erfordert.

Frage 3: Welche Positioniergenauigkeit benötigen Sie?

• ±10 mm oder lockerer: Ein 2WD-Differential ist ausreichend. (Typisch für die Kommissionierung nach dem „Goods-to-Person“-Prinzip und den Transport von Zone zu Zone.)
• ±5–10 mm: Allradantrieb oder Allradlenkung. (Typisch für Förderbandschnittstellen, Palettenaufnahme.)
• ±2–5 mm: 4WS ist die einzige Architektur, die dies zuverlässig gewährleistet. (Typisch für das Andocken an Fertigungslinien, die Präzisionsmontage und die Handhabung von Halbleitern.)

Frage 4: Wie begrenzt ist Ihr Platzangebot?

• Breite Gänge (>3 m), einfache Wege: 2WD-Differential. Eine Drehung an Ort und Stelle mittels Differentiallenkung ist ausreichend.
• Schmale Gänge (2–3 m): Allradantrieb (4WD) oder Allradlenkung (4WS). Die Allradlenkung (4WS) mit Krabbenmodus bietet die größte Flexibilität.
• Sehr schmale Gänge (<2 m), enges Manövrieren: 4WS. Nur durch seitliches Fahren lässt sich das Schiff auf engstem Raum seitlich anlegen.
• Im Freien, offenes Gelände: Kettenfahrzeug oder Allradantrieb. Platzbeschränkungen spielen eine untergeordnete Rolle; entscheidend ist die Geländegängigkeit.

Frage 5: Wie hoch ist Ihr Budgetrahmen?

• Stückkosten minimieren und in großem Maßstab umsetzen: 2WD-Differential.
• Ein moderater Aufpreis für mehr Leistung: Kompaktlader mit Allradantrieb.
• Leistungsorientiert, Stückkosten zweitrangig: 4WS.
• Geländegängigkeit um jeden Preis, was den Innenbodenbelag angeht: Verfolgt.

Entscheidungsmatrix

Sicherheitsstandards und deren Auswirkungen auf die Auslegung von AMR-Antriebssystemen

Das Antriebssystem hat direkten Einfluss auf die funktionale Sicherheit. In den Sicherheitsnormen ist nicht festgelegt, welche Antriebsarchitektur zu verwenden ist. Dennoch bestimmt die Architektur, wie Sicherheitsfunktionen umgesetzt werden – und wie hoch die damit verbundenen Kosten sind.

ISO 3691-4: Fahrerlose Flurförderzeuge

ISO 3691-4:2023 regelt die Sicherheit von fahrerlosen Flurförderzeugen (automatisch geführte Fahrzeuge und autonome mobile Roboter in industriellen Umgebungen). Wesentliche Anforderungen, die sich auf die Auslegung des Antriebssystems auswirken:

1. Safe Torque Off (STO)

Jeder Antriebsmotor muss STO unterstützen – also die Fähigkeit, die Drehmomentabgabe abzuschalten, während die mechanische Verbindung elektrisch aufrechterhalten bleibt. Dies wird in der Regel über den Motortreiber realisiert (STO-Eingänge am Servoantrieb). Bei einem 2WD-Roboter benötigt man zwei STO-Kanäle. Bei einem 4WS-Roboter benötigt man acht (vier Antriebs- + vier Lenkkanäle).

2. Bremsleistung

Der Roboter muss unter Volllast und bei Höchstgeschwindigkeit innerhalb einer vorgegebenen Strecke zum Stillstand kommen. Das Bremssystem (elektromagnetische Haltebremsen an den Motoren sowie etwaige mechanische Bremsen) muss für den ungünstigsten Fall ausgelegt sein. Ein 4WS-Roboter, der 2.000 kg mit 2,0 m/s bewegt, benötigt wesentlich mehr Bremsmoment als ein 2WD-Roboter, der 250 kg mit 1,5 m/s bewegt.

3. Stabilität

Der Roboter darf unter den vorgegebenen Neigungs-, Geschwindigkeits- und Belastungsbedingungen nicht umkippen. Der Schwerpunkt des Antriebssystems, die Radstandbreite und die Aufhängungsgeometrie fließen alle in die Stabilitätsberechnung ein. Raupenroboter verfügen aufgrund ihrer breiten Aufstandsfläche und ihres niedrigen Schwerpunkts über einen inhärenten Stabilitätsvorteil.

4. Geschwindigkeitsüberwachung

Die Sicherheitssteuerung muss die Geschwindigkeit des Roboters eigenständig überwachen und einen Schutzstopp auslösen, sobald der konfigurierte Grenzwert überschritten wird. Dazu sind redundante Geschwindigkeitssensoren erforderlich – in der Regel die Motor-Encoder sowie ein unabhängiger Sensor (Radar, zweiter Encoder oder externes Messsystem).

ANSI/RIA R15.08: Sicherheit von mobilen Industrierobotern

ANSI/RIA R15.08 ist die US-Norm für die Sicherheit mobiler Industrieroboter. Sie unterteilt Roboter in Typ A (autonome mobile Roboter ohne Manipulator), Typ B (AMRs mit Manipulator) und Typ C (mobile Manipulatoren, die Aufgaben an mehreren Standorten ausführen). Auswirkungen auf das Antriebssystem:

1. Anträge vom Typ A (AMRs, die ausschließlich für den Transport bestimmt sind)

Jede Antriebsarchitektur kann diese Anforderungen erfüllen. Die Verantwortung für die Sicherheit liegt in erster Linie bei den Navigations- und Hinderniserkennungssystemen.

2. Anträge vom Typ B/C (AMRs mit Förderbändern, Roboterarmen)

Die Andockgenauigkeit wird zu einem Sicherheitsproblem – wenn der Roboter nicht präzise andockt, kann es zu einem Ausfall der Manipulator- oder Fördererschnittstelle kommen, der eine Gefahr darstellt. Dies spricht für den Einsatz von 4WS, wenn die Andocktoleranz eng bemessen ist.

Kosten für funktionale Sicherheit nach Architektur

Die Anzahl der Motoren bestimmt direkt die Anzahl der STO-Kanäle, der Achsen mit Überwachung der sicheren Drehzahl sowie der sicherheitszertifizierten Encoder-Schnittstellen. Grob gesagt:

• 2WD: 2 STO-Kanäle, 2 Achsen mit sicherer Drehzahl. Niedrigste Kosten für Sicherheitskomponenten.
• Allradantrieb: 4 STO-Kanäle, 4 Achsen mit sicherer Drehzahl. Moderate Kosten für Sicherheitskomponenten.
• 4WS: 8 STO-Kanäle (4 Antriebs- + 4 Lenkkanäle), 8 Achsen mit Sicherheitsgeschwindigkeit. Höchste Sicherheitskosten für die Stückliste. Sicherheitszertifizierte Absolutwertgeber an den Lenkachsen erhöhen die Kosten um $200–$500 pro Rad.
• Verfolgt: 2 STO-Kanäle, 2 Achsen mit Sicherheitsgeschwindigkeit. Ähnlich wie bei 2WD, allerdings muss das mechanische Bremssystem aufgrund der Geländegängigkeit des Roboters möglicherweise größer ausgelegt sein.

Diese Kosten sind nicht unerheblich. Bei einem 4WS-Roboter können allein die Kosten für die Hardware zur funktionalen Sicherheit – sicherheitszertifizierte Antriebe, Sicherheits-SPS, Sicherheits-Encoder, Sicherheitssensoren – die Materialkosten eines kompletten 2WD-Antriebssystems übersteigen. Wir haben erlebt, dass Systemintegratoren 4WS für Anwendungen spezifizieren, die ein 2WD-Roboter mit ein paar Bodenausbesserungen und einem breiteren Gang bewältigen könnte. Das ist keine Technik – das ist Geldausgabe, auf die man hätte verzichten können. Wenn die Anwendung tatsächlich die Leistung von 4WS erfordert, ist die Sicherheits-Stückliste ein notwendiger Posten. Ist dies nicht der Fall, spricht dies für Einfachheit.

Fazit: Passen Sie das Antriebssystem des mobilen Roboters an Ihren Einsatzzweck an

Nach mehr als 3.000 Wörtern, in denen vier Antriebsarchitekturen anhand von einem Dutzend Kriterien verglichen wurden, lautet die Schlussfolgerung nicht, dass ein System das beste ist. Die Schlussfolgerung lautet vielmehr, dass die Entscheidung für ein Antriebssystem eine Abwägung zwischen Ihren betrieblichen Anforderungen und den Stärken und Schwächen der einzelnen Architekturen ist.

Bei den meisten Projekten zur Lagerautomatisierung sollte zunächst ein Differentialantrieb mit Zweiradantrieb (2WD) in Betracht gezogen werden. Dies ist die einfachste, kostengünstigste und energieeffizienteste Option, die sich für die meisten logistischen Anwendungen in Innenräumen eignet. Steigen Sie erst dann auf der Komplexitätsskala auf, wenn eine bestimmte betriebliche Anforderung dies erfordert.

Der Allradantrieb (4WD) ist der logische erste Schritt nach oben: mehr Nutzlast, mehr Traktion und etwas höhere Kosten. Der Allradlenkantrieb (4WS) ist führend in Sachen Präzision und Nutzlast, und sein Preisaufschlag ist gerechtfertigt, wenn ein Andockgenauigkeit von ±2 mm oder omnidirektionale Bewegungen auf engstem Raum zwingend erforderlich sind. Der Raupenantrieb ist der Spezialist für den Außenbereich – unverzichtbar in unwegsamem Gelände, ungeeignet für fertige Innenböden.

Der teuerste Fehler ist nicht die Wahl der falschen Architektur. Es ist die Wahl einer überdimensionierten Architektur für eine Anwendung, die diese gar nicht benötigt. Eine Flotte von 20 AMRs mit 4WS-Antriebssystemen in einem Lager mit breiten Gängen, glatten Böden und einer Andocktoleranz von ±10 mm – das entspricht $300,000–$500.000, die besser in eine zweite Schicht mit 2WD-Robotern, in bessere Endeffektoren oder in eine Mezzanine-Erweiterung hätten fließen sollen. Passen Sie das Antriebssystem an die Anforderungen an. Nicht an das Datenblatt.

Sind Sie bereit, ein Antriebssystem für Ihre mobile Roboteranwendung auszuwählen?

Wenden Sie sich an das Entwicklerteam von Fdata um Ihre Anforderungen hinsichtlich Nutzlast, Bodenhöhe, Präzision und Budget zu besprechen. Wir fertigen maßgeschneiderte Fahrgestell für mobile Roboter mit 2WD-, 4WD-, 4WS- und Raupenantrieb-Konfigurationen für industrielle B2B-Anwendungen weltweit.

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