Was ist ein Roboterfahrgestell? Komponenten, Funktionsweise und Auswahlleitfaden

Was ist ein Chassis für mobile Roboter? Komponenten, Funktionsweise und Leitfaden zur Auswahl

Ein mobiles Roboterfahrgestell ist die Bewegungsplattform eines Roboters. Es trägt die Nutzlast, setzt Bewegungsbefehle in Rad- oder Kettenbewegungen um und meldet Betriebsdaten wie Geschwindigkeit, Odometrie, Batteriestatus und Fehler.

Das Roboterfahrgestell befindet sich unterhalb des Navigationssystems im Steuerungsstapel. Das Navigationssystem legt fest, wohin der Roboter fahren soll. Das Fahrgestell sorgt dafür, dass sich der Roboter sicher und vorhersehbar dorthin bewegt.

Ein Fahrgestell ist mehr als nur ein Rahmen mit Rädern. Ein komplettes Fahrgestell umfasst in der Regel die mechanische Struktur, das Antriebssystem, das Energiesystem, die Motorsteuerung, Rückmeldesensoren, Sicherheitsschnittstellen und Kommunikationsanschlüsse. Es handelt sich dabei noch nicht um einen vollständig autonomen Roboter: Wahrnehmungssensoren, Rechenleistung, Navigationssoftware und die Nutzlast für die jeweilige Aufgabe kommen darüber hinaus hinzu.

Kurzantwort: Ein mobiles Roboterfahrgestell ist eine integrierte Bewegungsplattform, die den Roboter und die Nutzlast trägt, die Räder oder Ketten antreibt und lenkt, die Energieversorgung und die Low-Level-Steuerung verwaltet sowie Bewegungs- und Zustandsdaten an das übergeordnete Robotersystem zurückmeldet.

Inhaltsverzeichnis

Was macht ein Roboterfahrgestell?

Ein brauchbares Chassis muss sechs Kernfunktionen erfüllen. Fehlt eine dieser Funktionen, handelt es sich bei der Plattform möglicherweise eher um eine Ansammlung von Bauteilen als um ein integrationsfertiges Chassis.

FunktionBedeutung
TragenUnterstützen Sie den Roboterrahmen und die Nutzlast während Beschleunigung, Bremsen, Kurvenfahrt und Betrieb auf unebenen Böden.
BewegenVorwärts- und Rückwärtsfahrt, Wenden, Anhalten und Positionshalten bei Bedarf.
SteuerungVerwalten Sie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Verzögerung, Lenkung, Bremsen und Aktuatorgrenzen.
BerichtRadgeschwindigkeit, Odometrie, Batteriezustand, Temperatur und Fehlerinformationen zurückmelden.
MontierenStabile, wiederholbare Montagepunkte für Sensoren, Rechner, Batterien und Aufgabenausrüstung bereitstellen.
VerbindenDokumentierte Strom-, Sicherheits- und Datenschnittstellen für den Rest des Roboters bereitstellen.

Roboterfahrgestell vs. kompletter Roboter

Ein Fahrgestell, das mit einem Joystick gesteuert werden kann, ist mobil, aber nicht automatisch autonom. Autonomie erfordert mehrere zusätzliche Ebenen.

SchichtHauptverantwortungTypische Elemente
FahrgestellBewegung ausführen und Feedback meldenRahmen, Räder, Motoren, Bremsen, Steuerung, Encoder
WahrnehmungUmgebung erfassenLiDAR, Kameras, Ultraschallsensoren
BerechnungRobotersoftware ausführenIndustrie-PC oder eingebetteter Edge-Computer
Lokalisierung und NavigationPosition schätzen und sichere Bewegung planenSLAM, GNSS, Planer, Hindernisvermeidung
SicherheitRisiko für Personen und Ausrüstung reduzierenSicherheitsscanner, Sicherheits-SPS, Not-Halt
AufgabensystemDie Nutzarbeit ausführenHebevorrichtung, Förderband, Roboterarm, Inspektionseinheit
FlottenebeneMehrere Roboter koordinierenFleet-Manager, WMS-, MES-Integration

Das Fahrgestell beantwortet eine eng gefasste, aber entscheidende Frage: Kann sich die Maschine korrekt fortbewegen? Der Rest des Roboters bestimmt, wohin er fahren soll, wie er Gefahren ausweicht und was er tut, wenn er am Ziel angekommen ist.

Was sind die Hauptkomponenten eines Roboterfahrgestells?

Die meisten Roboterfahrgestelle lassen sich als fünf miteinander verbundene Subsysteme verstehen. Das schwächste Subsystem begrenzt die Leistung. Daher sollte die Bewertung die gesamte Plattform abdecken und nicht nur eine einzelne Hauptkennzahl.

TeilsystemZweckTypische Komponenten
Mechanische StrukturLasten tragen und Geometrie beibehaltenRahmen, Plattform, Halterungen, Gehäuse, Federung
Antrieb und LenkungElektrische Energie in gesteuerte Bewegung umwandelnRäder oder Ketten, Motoren, Getriebe, Lenkantriebe, Bremsen
EnergiesystemElektrische Energie bereitstellen und schützenBatterie, BMS, Schütz, Sicherungen, DC-DC-Wandler, Ladegerät
Steuerung und RückmeldungBefehle ausführen und Bewegung messenFahrgestell-Steuerung, Motor-Treiber, Encoder, IMU, Strom- und Temperatursensoren
Sicherheit und KommunikationSicher anhalten und Daten austauschenNot-Halt-Schaltkreis, Sicherheits-I/O, CAN, RS485, Ethernet, API oder ROS-Treiber

1. Mechanischer Aufbau und Tragwerk

Das mechanische System trägt statisches Gewicht und dynamische Belastungen. Es muss stabil bleiben, während der Roboter beschleunigt, bremst, sich dreht, Gelenke überquert oder Rampen hinaufsteigt.

Zu den typischen Elementen gehören ein geschweißter oder verschraubter Rahmen, eine Montageplattform, Befestigungspunkte mit Gewinde, Schutzbleche, Kabelführungen, Radhalterungen und – falls erforderlich – eine Federung oder ein Radausgleichssystem.

  • Die Nutzlastangabe sollte die Nutzlastmasse, Abmessungen, Schwerpunkthöhe und Montageposition umfassen.
  • Eine hohe oder versetzte Nutzlast kann die Stabilität verringern, auch wenn das Gesamtgewicht innerhalb des angegebenen Grenzwerts bleibt.

Auswirkung von niedrigen, hohen, seitlich versetzten sowie vorwärts oder rückwärts positionierten Nutzlasten auf die Stabilität des mobilen Roboterfahrgestells

  • Die strukturelle Steifigkeit ist wichtig, da Rahmenverformungen die Sensorausrichtung, die Radbelastung und die Spurgenauigkeit beeinträchtigen können.
  • Der Servicezugang sollte für Batterien, Sicherungen, Steuerungen, Steckverbinder und Verschleißteile geplant werden.
NutzlastkonfigurationVoraussichtliche Auswirkung
Niedrig und mittigBeste Stabilität beim Kurvenfahren und Bremsen
Hoch montiertHöheres Kipprisiko und geringere sichere Kurvengeschwindigkeit
Seitlich versetztUngleichmäßige Radbelastung, Verschleiß und Traktion
Zu weit vorne oder hintenReduzierte Bodenhaftung auf der gering belasteten Achse
Last kann verrutschenUnvorhersehbarer Schwerpunkt und Regelverhalten

Wenn ein Lieferant eine maximale Nutzlast angibt, fragen Sie nach der Test-Schwerpunkthöhe, Montagemethode, Geschwindigkeit, Oberfläche und Testdauer. Eine strukturelle Maximallast ist nicht dasselbe wie eine kontinuierliche Betriebsnennlast.

Benötigt das Fahrwerk eines mobilen Roboters eine Federung?

Die Federung hängt vom jeweiligen Einsatzzweck ab. Auf einem glatten Hallenboden bei mäßiger Geschwindigkeit kann ein starres Fahrwerk ausreichend sein. Unebene Oberflächen, höhere Geschwindigkeiten, schwere Lasten oder vibrationsempfindliche Sensoren können einen Radausgleich, eine Federung oder eine Einzelradaufhängung erfordern.

BetriebsbedingungTypischer Ansatz
Glatter Lagerboden bei moderater GeschwindigkeitStarrer Rahmen
Dehnungsfugen, Türschwellen und LaderampenRadausgleich oder einfache Federung
Außenbelag, Schotter oder verdichteter BodenUnabhängige oder pendelnde Federung
Hohe Nutzlast oder höhere GeschwindigkeitStoßdämpfung und ausgewogene Radlast
LiDAR oder Kameras, die empfindlich auf Vibrationen reagierenMechanische Entkopplung und starre Sensorhalterung

2. Antrieb und Lenkung

Das Antriebssystem bestimmt, wie Batterieenergie in Traktion am Boden umgewandelt wird. Es beeinflusst Höchstgeschwindigkeit, Schubkraft, Manövrierfähigkeit, Geräuschentwicklung und Energieverbrauch.

Zu den gängigen Komponenten gehören Antriebsräder oder Ketten, Motoren, Getriebe, Kupplungen, Lenkantriebe, Radlager und Sicherheitsbremsen.

  • Das Radmaterial beeinflusst Traktion, Geräuschentwicklung, Rollwiderstand, Verschleiß und die Genauigkeit der Odometrie.
  • Der Raddurchmesser beeinflusst die Hindernisüberwindung, die Bodenfreiheit, das erforderliche Drehmoment und die Gesamthöhe des Roboters.
  • Die Motorleistung allein reicht für einen Vergleich nicht aus. Das Drehmoment an der Radnabe unter Dauerbetriebsbedingungen ist aussagekräftiger.
  • Die Übersetzung tauscht Geschwindigkeit gegen Drehmoment und beeinflusst außerdem Effizienz, Getriebespiel, Geräuschentwicklung und Lebensdauer.

Warum das Drehmoment an der Radnabe wichtiger ist als die Motorleistung

Zwei Chassis können Motoren mit derselben Nennleistung verwenden und dennoch sehr unterschiedliche Leistungen erbringen. Die tatsächliche Zugkraft hängt vom Dauerdrehmoment des Motors, der Übersetzung und dem Wirkungsgrad des Getriebes, dem Radradius, der Batteriespannung unter Last, den Strombegrenzungen des Ansteuerungsschaltkreises, der thermischen Leistungsreduzierung und der Gesamtmasse des Roboters ab.

Um einen aussagekräftigen Vergleich anzustellen, fragen Sie nach dem kontinuierlichen Drehmoment an der Radnabe bei Nenn-Temperatur und Nenn-Batteriespannung. Fragen Sie außerdem, ob sich der Wert auf ein einzelnes Rad oder auf das gesamte Fahrgestell bezieht.

ÜbersetzungsverhältnisHauptvorteilHauptnachteil
Höhere UntersetzungMehr Raddrehmoment und bessere NiedriggeschwindigkeitsregelungNiedrigere Höchstgeschwindigkeit
Niedrigere UntersetzungHöhere HöchstgeschwindigkeitWeniger Raddrehmoment und geringere Steigungsleistung

3. Antriebssystem

Das Stromversorgungssystem bestimmt die Betriebsdauer, die Spitzenstromkapazität, die Lade-Strategie sowie die für Computer, Sensoren und Nutzlastgeräte verfügbare Spannung.

Ein typisches System umfasst einen Akku, ein Batteriemanagementsystem, ein Hauptschütz, einen Zweigschutz, DC-DC-Wandler, einen manuellen Ladeanschluss und optional eine automatische Andockschnittstelle.

  • Ein korrekt ausgelegtes BMS ist für Lithium-Batterien unerlässlich, da es Spannung, Strom, Temperatur, Balancierung und Schutzabschaltungen überwacht.
  • Die auf dem Etikett angegebene Batteriekapazität entspricht nicht der nutzbaren Feldenergie. Reserve, Temperatur, Alterung und hohe Stromentnahme reduzieren die nutzbare Kapazität.
  • Hilfslasten wie Computer, LiDAR, Funkgeräte und Aktuatoren der Nutzlast müssen in die Energiebilanz einbezogen werden.
  • Die Laufzeit sollte mit dem realen Lastzyklus validiert werden, nicht mit konstantem Drehzahlbetrieb ohne Last.

Formel: Geschätzte Laufzeit (Stunden) = nutzbare Batterieenergie (Wh) ÷ durchschnittliche Systemleistung (W)

Für eine vorläufige Schätzung wird die nutzbare Batterieenergie häufig als Bruchteil der Nennenergie angesetzt, um Reserven und Alterungseffekte zu berücksichtigen. Die endgültige Abnahme sollte auf einem Test über den vollständigen Lastzyklus mit der tatsächlichen Nutzlast und den tatsächlichen Umgebungsbedingungen basieren.

4. Steuerungs- und Rückkopplungssystem

Das Steuerungssystem wandelt einen Befehl auf Fahrzeugebene in Sollwerte für die einzelnen Motoren bzw. Lenkaktuatoren um. Anschließend vergleicht es die gewünschte Bewegung mit der gemessenen Bewegung und korrigiert den Fehler kontinuierlich.

Zu den wichtigsten Komponenten zählen die Fahrwerkssteuerung, die Motortreiber, Encoder, eine IMU, Lenkwinkelsensoren sowie elektrische und thermische Überwachungssysteme.

ArtikelMotorsteuerungFahrgestell-Controller
UmfangEin Motor oder MotorkanalDas komplette Fahrgestell
EmpfängtDrehzahl-, Drehmoment- oder StromzielwertFahrzeuggeschwindigkeit, Drehrate, Lenkbefehl und Sicherheitszustand
HauptaufgabeMotorstrom und Drehzahl regelnKinematik lösen, Aktuatoren koordinieren, Grenzen durchsetzen
Typische FehlerÜberstrom, Übertemperatur, Encoder-Verlust, BlockierungKommunikations-Timeout, Batteriefehler, Geschwindigkeitsüberschreitung, Not-Halt
BerichteStrom, Drehzahl, AntriebstemperaturOdometrie, Batteriestatus, Fahrgestellzustand, Fehlerübersicht

Der Fahrgestell-Controller muss Sicherheitsbefehlen Vorrang vor Navigationsbefehlen einräumen. Wenn die Navigation eine Bewegung anfordert, während das Sicherheitssystem einen Stopp verlangt, muss das Fahrgestell anhalten.

Encoder- und IMU-Rückmeldung

Encoder messen die Drehung der Motorwelle oder des Rades. Eine IMU misst die Drehung und Beschleunigung des Fahrzeugs. Jeder Sensor hat unterschiedliche tote Winkel.

Encoder sind zwar präzise bei der Radgeschwindigkeitsregelung, können jedoch keinen Radschlupf direkt erfassen. Eine IMU kann Karosseriebewegungen und Neigungen erfassen, doch ihre Kursschätzung driftet mit der Zeit ab. Die Kombination beider Signale verbessert die kurzfristige Odometrie und hilft dabei, ungewöhnliche Bewegungen zu erkennen.

5. Sicherheit und Kommunikation

Dieses Teilsystem hat zwei Aufgaben: die Plattform bei Bedarf sicher anzuhalten und eine zuverlässige Kommunikation zwischen dem Fahrgestell und dem übergeordneten Robotersystem zu gewährleisten.

  • Zu den Sicherheitselementen können unter anderem eine zweikanalige Not-Aus-Schaltung, ausfallsichere Bremsen, eine sicherheitsgesteuerte Fahrerfreigabe, ein Hauptbatterieschütz, Sicherheits-E/A, Warnleuchten und ein akustischer Alarm gehören.
  • Kommunikationsoptionen können CAN oder CAN FD, RS485, Ethernet, UART, digitale I/O und analoge Eingänge umfassen.
  • Der Lieferant sollte Steckerbelegungen, elektrische Grenzwerte, Nachrichtendefinitionen, Einheiten, Skalierungen, Timeouts und Fehlerverhalten dokumentieren.
  • Die Softwareunterstützung sollte getrennt von der physischen Kommunikationsschnittstelle bewertet werden.

Ein CAN-Port ist nicht gleichbedeutend mit ROS-Unterstützung

CAN legt fest, wie Frames auf einem Bus übertragen werden. ROS 2 definiert Softwaremeldungen, Topics, Dienste und Hardware-Schnittstellen. Es ist ein funktionierender Treiber erforderlich, um zwischen dem Chassis-Protokoll und ROS-Schnittstellen wie Geschwindigkeitsbefehlen, Odometrie, Transformationen und Diagnosen zu übersetzen.

SchichtWas es definiertBeispiel-Liefergegenstand
Physische SchnittstelleSpannung, Steckverbinder, Topologie, BitrateCAN-, RS485- oder Ethernet-Pinbelegung
ProtokollNachrichten-IDs, Felder, Prüfsummen, TimingCANopen oder ein dokumentiertes kundenspezifisches Protokoll
API oder SDKEntwicklerfunktionen und BeispieleGeschwindigkeit einstellen, Odometrie lesen, Fehler quittieren
ROS-2-TreiberÜbertragung auf ROS-SchnittstellenROS-2-Node oder ros2_control-Hardware-Plugin

Vergewissern Sie sich vor dem Kauf genau, welche Komponenten enthalten sind, ob der Quellcode verfügbar ist und wie Firmware- und Treiber-Updates unterstützt werden.

Wie funktioniert ein Roboterfahrgestell?

Ein Chassis funktioniert als Regelkreis. Die genaue Aktualisierungsrate variiert je nach Plattform, doch der Ablauf ist immer derselbe: Befehl empfangen, Kinematik berechnen, Aktuatoren ansteuern, Ergebnis messen und Fehler korrigieren.

Geschlossener Regelkreis des Roboterfahrgestells – vom Bewegungsbefehl über den Motorantrieb bis hin zum Encoder- und IMU-Feedback

Schritt 1: Bewegungsbefehl empfangen

Der Befehl kann von einem Joystick, einer SPS, einem Industrie-PC oder einem ROS-2-Navigationsstack stammen. Er spezifiziert normalerweise Lineargeschwindigkeit, Winkelgeschwindigkeit oder Lenkwinkel, Beschleunigungsgrenzen und den aktuellen Sicherheitszustand.

Das Fahrgestell prüft, ob der Befehl gültig, aktuell und innerhalb der konfigurierten Grenzwerte liegt.

Schritt 2: Den Befehl in Aktuatorziele umwandeln

Die Fahrwerkssteuerung wendet das kinematische Modell für die gewählte Antriebskonfiguration an. Eine Plattform mit Differentialantrieb wandelt Linear- und Winkelgeschwindigkeit in Geschwindigkeitssollwerte für das linke und rechte Rad um. Eine Mecanum-Plattform berechnet vier Radgeschwindigkeiten für Vorwärts-, Seitwärts- und Drehbewegungen.

Vor dem Senden von Zielwerten prüft der Controller Batteriespannung, Not-Halt-Zustand, Treiberfehler und Betriebsgrenzen.

Schritt 3: Ansteuerung der Motoren und Lenkaktuatoren

Motor-Treiber regeln Strom und Spannung, um die befohlene Geschwindigkeit oder das befohlene Drehmoment zu erreichen. Lenkaktoren bewegen sich auf den erforderlichen Winkel, wenn das Fahrgestell eine Ackermann- oder Einzelradlenkung verwendet.

Treiber überwachen Bedingungen wie Überstrom, Unterspannung, Übertemperatur, Encoderverlust und Stillstand.

Schritt 4: Kraft auf den Boden ausüben

Das Drehmoment des Motors wird über das Getriebe und die Radnabe übertragen. Das Rad oder die Raupenkette drückt gegen den Boden und erzeugt so die Kraft, die den Roboter antreibt.

Die verfügbare Kraft hängt vom Rad-Drehmoment und der Traktion ab. Mehr Drehmoment hilft nicht, sobald der Reifen durchrutscht.

Schritt 5: Feedback lesen und den Kreislauf schließen

Encoder messen die tatsächliche Radgeschwindigkeit. Die Steuerung vergleicht die tatsächliche Bewegung mit dem Sollwert und passt die Leistung der einzelnen Motoren entsprechend an. Dadurch werden geringfügige Schwankungen bei der Belastung, dem Reifendurchmesser, den Bodenverhältnissen und der Batteriespannung ausgeglichen.

Der Regelkreis kann Radschlupffehler, kumulierte Odometrieabweichungen oder mechanisches Spiel nicht vollständig beseitigen. Bei der übergeordneten Lokalisierung werden LiDAR, Bildverarbeitung oder GNSS eingesetzt, um langfristige Positionsfehler zu korrigieren.

Haupttypen von Roboterfahrgestellen

Die beste Antriebskonfiguration hängt von Umgebung, Geschwindigkeit, Bodenbeschaffenheit, Nutzlast und Manövrieranforderungen ab.

Vergleich der Fahrgestelltypen für mobile Roboter: Differenzialantrieb, Mecanum, Ackermann-Lenkung und Kettenantrieb

FahrgestelltypSo bewegt es sichAm besten geeignet fürHauptlimitierung
DifferenzialantriebÄndert die Drehzahlen von linkem und rechtem Rad; kann auf der Stelle drehenIndoor-AMRs, Lagerhäuser, ServiceroboterKeine direkte Seitenbewegung
Mecanum oder omnidirektionalVerwendet schräg angeordnete Rollen für Vorwärts-, Seitwärts- und DrehbewegungenEnge Innenräume und präzise Ausrichtung auf glatten BödenGeringere Effizienz und schwächere Leistung auf Schmutz oder unebenen Böden
Ackermann-LenkungLenkt wie ein Auto mit gelenkten RädernHöhere Geschwindigkeit bei Außeneinsatz oder LangstreckenfahrtenGrößerer Wendekreis und komplexere Lenkung
Ketten- oder Skid-Steer-AntriebVariiert die Bahngeschwindigkeit zum WendenLockerer Boden, unebenes Gelände und hoher TraktionsbedarfHöherer Energieverbrauch, Bodenabrieb und Odometrie-Schlupf bei Kurvenfahrten

Eine kompakte Grundfläche bedeutet nicht immer einen kleinen Einsatzbereich. Überprüfen Sie den Heckschwenkradius, den Wenderadius und den gesamten Arbeitsbereich des fertigen Roboters.

Leistung von Roboterfahrgestellen: Worauf es wirklich ankommt

Datenblattwerte sind nur dann aussagekräftig, wenn die Testbedingungen bekannt sind. Vergleichen Sie die Dauerleistung unter realistischen Bedingungen, anstatt isolierte Maximalwerte gegenüberzustellen.

Nutzlast und Stabilität

Fragen Sie nach der Nennnutzlast bei definierter Schwerpunkthöhe, Montageposition, Geschwindigkeit, Steigung und Einschaltdauer. Berücksichtigen Sie Gewicht und Position der Aufbaustruktur, Batterie, Sensoren und Aufgabenausrüstung.

Geschwindigkeit und Beschleunigung

Überprüfen Sie die Leistung bei voller Nutzlast und niedrigerem Ladezustand der Batterie. Schwerpunktlastige Lasten können niedrigere Beschleunigung und Kurvengeschwindigkeit erfordern als das nackte Fahrgestell.

Wenden und Manövrierfähigkeit

Vergleichen Sie den Wenderadius, die Nullradius-Fähigkeit, den Heckausschlag, die Mindestdurchfahrtsbreite und das Andockverhalten. Berücksichtigen Sie dabei den gesamten Platzbedarf des fertigen Roboters und nicht nur die Abmessungen des Fahrgestells.

Steigfähigkeit

Überprüfen Sie die Nutzlast, die Fahrfläche, die Steigungslänge, die Geschwindigkeit, die Dauer, den Akkustatus, die Anfahrfähigkeit an Steigungen sowie das Verhalten bei Steigungshaltefunktion. Eine kurze Steigungsfahrt mit leerem Fahrgestell gilt nicht als kontinuierliche Volllastprüfung.

Betriebszeit und Laden

Definieren Sie den Arbeitszyklus: Fahrt unter Last, Leerfahrt, Leerlaufzeit, Spitzenereignisse, Leistungsaufnahme bei Nutzlast und Ladefenster. Führen Sie die Tests bei der erwarteten Umgebungstemperatur durch.

Bewegungsgenauigkeit

Bewerten Sie die Auflösung des Encoders, die Verformung der Räder, den Reifenverschleiß, das Spiel im Getriebe, die Befestigung der IMU, die Abstimmung des Controllers, den Zustand des Bodens sowie die zur Korrektur von Drift verwendete Lokalisierungsmethode.

Leitfaden zur Auswahl eines Roboterfahrgestells: 5 praktische Schritte

Ein zuverlässiger Auswahlprozess beginnt mit der Aufgabe, überführt diese Aufgabe in technische Anforderungen und validiert das Ergebnis am realen Einsatzort.

Fünfstufiger Auswahlprozess für mobile Roboterfahrgestelle – von der Definition der Anwendung bis zum Test des Prototyps vor Ort

Schritt 1: Beschreiben Sie die Aufgabe, bevor Sie die Hardware auswählen

Erstellen Sie vor der Kontaktaufnahme mit Lieferanten eine einseitige Anwendungsbeschreibung. Beschreiben Sie, was der Roboter bewegt, wo er arbeitet, wer den Raum teilt, wie lange er läuft und welche Umwelt- oder Sicherheitsbeschränkungen gelten.

  • Nutzlasttyp, Abmessungen, Masse, Schwerpunkt und ob er sich verschieben kann
  • Bodenmaterial, Fugen, Schwellen, Entwässerungsrinnen, Rampen und Außenflächen
  • Betriebsstunden, Verkehrsmuster, Lademöglichkeiten und Temperaturbereich
  • Interaktion mit Personen, Gabelstaplern, Maschinen, Türen, Aufzügen und anderen Robotern
  • Staub, Wasser, Reinigung, Chemikalien, Vibration oder Korrosion ausgesetzt

Schritt 2: Umsetzung des Auftrags in technische Anforderungen

AnforderungWas anzugeben ist
NutzlastNenn- und Höchstmasse, Abmessungen, Schwerpunkthöhe, feste oder veränderliche Last
Roboter-ArbeitsbereichMaximale Länge, Breite, Höhe, Bodenfreiheit und überstrichene Fläche
BewegungHöchstgeschwindigkeit, minimale stabile Geschwindigkeit, Beschleunigung, Wendemethode, Andockgenauigkeit
GeländeOberfläche, maximale Steigung und Steigungslänge, Schwellenhöhe, Spalten und Reibungszustand
LaufzeitBetriebsstunden, Einschaltdauer, Ladefenster, minimale Restladung
UmgebungTemperatur, Luftfeuchtigkeit, IP-Anforderung, Staub, Reinigung, Chemikalien
SchnittstellenKommunikationsbus, API, ROS 2, Nutzlaststromversorgung, I/O, Steckverbinderstandards
SicherheitErforderliche Sicherheitsfunktionen, Bremsen, Scanner-Integration und regionale Normen

Schritt 3: Technische Dokumentation anfordern

Ein Prospekt reicht für die Integration nicht aus. Fordern Sie die Dokumentation frühzeitig an, damit versteckte Kosten- und Terminrisiken vor dem Kauf sichtbar werden.

  • Konfigurationsliste und Teilenummern, einschließlich Optionen und Ausschlüssen
  • Bemaßte Zeichnungen mit Bohrungspositionen und Toleranzen
  • Elektrische Schaltpläne, Steckerbelegungen, Spannungs- und Stromwerte
  • Vollständiges Protokolldokument mit Nachrichten-IDs, Einheiten, Skalierung, Timing und Fehlerverhalten
  • SDK-Beispiele, ROS-2-Treiberdetails, Verfügbarkeit des Quellcodes und unterstützte Softwareversionen
  • Testbedingungen hinter Angaben zu Nutzlast, Geschwindigkeit, Steigung, Laufzeit und Umgebungsbedingungen
  • Wartungsintervalle, Verschleißteile, Fehlercodes und Anleitungen zur Fehlerbehebung
  • Lieferumfang und integrierbarer Preis, einschließlich Batterie, Ladegerät, Kabel und Software

Schritt 4: Standardisierung der Testbedingungen der Lieferanten

Zwei Lieferanten können dieselbe Nutzlast oder Laufzeit angeben und dabei unterschiedliche Testmethoden verwenden. Vergleichen Sie Zahlen erst, nachdem die Bedingungen angeglichen wurden.

  • Nutzlast: gleiche Schwerpunkthöhe, Montagemethode, Geschwindigkeit und Dauer
  • Steigung: gleiche Oberfläche, Last, Geschwindigkeit, Steigungslänge, Batteriezustand, Start und Anfahrbremse-Anforderung
  • Laufzeit: gleicher Lastzyklus, Hilfsstromaufnahme, Temperatur und Ladezustand bei Testende
  • Geschwindigkeit: gleiche Nutzlast, Batteriespannung, Boden und ununterbrochener Betriebszeitraum

Schritt 5: Testen Sie einen Prototyp am realen Einsatzort

Ein Prototypentest deckt Probleme auf, die ein Labordatenblatt nicht vorhersagen kann. Verwenden Sie die reale Nutzlast, den realen Boden, die reale Temperatur, das reale Netzwerk und das reale Bedienpersonal.

  • Vollaststart, Beschleunigung, Kurvenfahrt und Notbremsweg
  • Geradeausfahrt über eine repräsentative Distanz
  • Minimale stabile Geschwindigkeit für Andocken und Ausrichtung
  • Anfahren am Hang, kontrollierte Abfahrt und Halt bei Stromausfall
  • Wiederholtes Überfahren der schlimmsten Schwelle, Fuge oder des schlimmsten Spalts vor Ort
  • Volle angegebene Laufzeit bei Protokollierung von Spannung, Strom und Temperaturen
  • Laden oder Batteriewechsel durch das tatsächliche Bedienpersonal
  • Verhalten bei Kommunikationsverlust und Wiederherstellung
  • Stabilität und Bremsverhalten nach der Montage der vollständigen Aufbaustruktur

Vom Roboterfahrgestell zum kompletten Roboter: Checkliste für die Integration

Ein gutes Fahrgestell kann dennoch einen schlechten Roboter ergeben, wenn die Integration den Lastpfad, das Leistungsbudget, die thermische Umgebung, die Kommunikationszeiten oder die Sicherheitsabdeckung verändert.

Mechanische Integration

  • Befestigen Sie schwere Strukturen an den primären Rahmenbauteilen, nicht an dekorativen Verkleidungen.
  • Neuberechnung des Gesamtschwerpunkts der Maschine im leeren und beladenen Zustand.
  • Lassen Sie Spielraum für Radbewegung, Federung, Lenkung und Wartungszugang.
  • Schützen Sie Kabel vor Quetschung, Abrieb, Biegeermüdung und Steckerbelastung.

Elektrische Integration

  • Berechnung von Dauer- und Spitzenleistung für Motoren, Rechner, Sensoren, Netzwerk und Nutzlastaktoren.
  • Verifizieren Sie die verfügbare Leistung bei der niedrigsten zu erwartenden Batteriespannung.
  • Sichern Sie Zweigstromkreise separat ab, damit ein Fehler eines Zubehörteils nicht den gesamten Roboter abschaltet.
  • Testen Sie die Not-Halt-Kette vollständig, sodass jedes bewegungserzeugende Gerät einen sicheren Zustand erreicht.

Sensor- und Rechnerintegration

  • Freie Sichtfelder für LiDAR und Kameras gewährleisten, einschließlich Nahbereichs-Totzonen.
  • Verwenden Sie starre Sensorhalterungen und isolieren Sie Vibrationen nur dort, wo es notwendig ist.
  • Sorgen Sie für Luft- oder Wärmeleitungswege für Computer, Antriebe und KI-Beschleuniger.
  • Halten Sie Antennen von abschirmendem Metall und stark störenden Stromleitungen fern.

Software-Integration

  • Einheiten, Byte-Reihenfolge, Koordinatensysteme, Aktualisierungsraten, Timeout-Verhalten und Fehlerbehebung bestätigen.
  • Validieren, dass die befohlene Geschwindigkeit die erwartete physische Bewegung erzeugt.
  • Vergleichen Sie die gemeldete Odometrie mit unabhängig gemessener Distanz und Rotation.
  • Definieren Sie einen sicheren Halt, wenn die Kommunikation mit dem Navigationsrechner ausfällt.

Sicherheitsintegration

  • Bewerten Sie Quetsch-, Kollisions-, Lastabwurf-, Batterie- und Gefahren durch unerwarteten Neustart für den gesamten Roboter.
  • Überprüfung der Schutzfeldabdeckung bei maximaler Geschwindigkeit und Nutzlast, einschließlich Reaktions- und Bremszeit.
  • Testen Sie jede Sicherheitsfunktion, nachdem die endgültige Struktur, die Sensoren und die Nutzlast installiert sind.
  • Prüfen Sie die neuesten geltenden Normen und regionalen Anforderungen, einschließlich der aktuellen Ausgabe von ISO 3691-4, sofern relevant.

Warum der fertige Roboter erneut getestet werden muss

Ein Werks-Fahrgestelltest beweist, dass das Fahrgestell in der Lieferantenkonfiguration funktioniert hat. Er beweist nicht, dass der fertige Roboter dieselben Leistungs- oder Sicherheitsgrenzen erreicht.

Die Integration verändert Masse, Schwerpunkt, Bremsweg, Motorlast, Gehäusetemperatur, elektromagnetisches Rauschen, Kommunikationslast und Sensorabdeckung. Die Revalidierung ist daher Teil des System-Engineerings und keine optionale Nacharbeit.

TestkategorieWas erneut zu prüfen ist
StrukturellLastpfad, Durchbiegung, Befestigungselemente und bleibende Verformung
BewegungMaximalgeschwindigkeit, minimale stabile Geschwindigkeit, Spurführung, Kurvenfahrt und Andocken
BremsungBremsweg und Haltekraft bei maximaler Nutzlast und konstruktiver Steigung
AusdauerVoller Lastzyklus mit Protokollierung der Temperaturen von Batterie, Motor, Treiber und Gehäuse.
SicherheitNot-Halt, Schutz-Halt, Kommunikationsverlust, Reset- und Neustartverhalten
UmgebungSchutzart nach Gehäuseänderungen und EMV-Vorprüfung
SteuerungOdometrie, Befehlsverzögerung, Fehlerbehandlung und Leistung unter voller Buslast

Wichtigste Erkenntnisse

  • Ein mobiles Roboterfahrgestell ist die integrierte Bewegungsplattform, nicht der vollständige autonome Roboter.
  • Bewerten Sie fünf miteinander verbundene Systeme: Struktur, Antrieb, Energieversorgung, Steuerung und Rückmeldung sowie Sicherheit und Kommunikation.
  • Fragen Sie nach den Testbedingungen hinter jeder Angabe zu Nutzlast, Geschwindigkeit, Steigung und Laufzeit.
  • Definieren Sie die Anwendung, bevor Sie Produkte vergleichen, und übersetzen Sie die Aufgabe anschließend in messbare Anforderungen.
  • Validieren Sie das Fahrgestell vor der Endabnahme auf dem realen Boden mit der realen Nutzlast.
  • Prüfen Sie nach der vollständigen Integration erneut die Leistung und Sicherheit, da sich Masse, Gewichtsverteilung, Wärmeentwicklung, Kommunikation und Sensorabdeckung ändern.

Das beste Fahrgestell ist nicht das mit den höchsten Nennwerten. Es ist die Plattform, die sich vorhersehbar verhält, sich nahtlos integrieren lässt und die Anwendungsanforderungen über den gesamten Betriebszyklus hinweg erfüllt.

Bereit, ein Roboterfahrgestell auszuwählen?

Das richtige Fahrgestell schafft eine stabile Grundlage für die Leistung, Zuverlässigkeit und Entwicklungsgeschwindigkeit des Roboters.

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Häufig gestellte Fragen

Welche Haupttypen mobiler Roboterfahrgestelle gibt es?

Die gängigsten Typen sind Fahrgestelle mit Differentialantrieb, Mecanum- oder Omnidirektionalantrieb, Ackermann-Lenkung und Kettenantrieb. Der Differentialantrieb wird häufig bei AMRs für den Innenbereich eingesetzt. Der Mecanum-Antrieb ermöglicht seitliche Bewegungen auf glatten Böden. Die Ackermann-Lenkung eignet sich für schnellere Bewegungen über längere Strecken. Ketten sorgen für Traktion auf unebenem oder losem Gelände.

Was ist der Unterschied zwischen einem AGV-Fahrgestell und einem AMR-Fahrgestell?

Der Unterschied liegt hauptsächlich in der Navigation und der Systemarchitektur und nicht im grundlegenden Fahrgestell. Ein AGV folgt in der Regel einer vordefinierten Route, während ein AMR mithilfe von Onboard-Wahrnehmung und Lokalisierung Hindernisse umplant. Ein gut dokumentiertes Fahrgestell kann bei entsprechender Sensorik und Software beide Ansätze unterstützen.

Kann ein mobiles Roboterfahrgestell im Außenbereich eingesetzt werden?

Ja, wenn das Fahrgestell für die jeweilige Umgebung ausgelegt ist. Der Einsatz im Freien kann Schutzart, Korrosionsbeständigkeit, geeignete Reifen oder Ketten, eine Federung, temperaturbeständige Batterien und Elektronik sowie ausreichend Drehmoment und Bremsleistung für Steigungen und unebenes Gelände erfordern.

Wie sollte die Nutzlastkapazität bewertet werden?

Verwenden Sie die Dauerlast-Nennlast bei einer festgelegten Schwerpunkthöhe und Montageposition. Berücksichtigen Sie das Gewicht des Aufbaus, der Sensoren, der Batterien, der Kabel und der Einsatzausrüstung. Überprüfen Sie die Stabilität, das Bremsverhalten, die Steigungsleistung und das thermische Verhalten mit der vollständigen Last.

Bedeutet eine CAN-Schnittstelle, dass das Fahrgestell ROS 2 unterstützt?

Nein. CAN ist eine Kommunikationsschnittstelle. ROS-2-Unterstützung erfordert ein dokumentiertes Protokoll sowie einen Treiber oder eine Hardwareschnittstelle, die Fahrgestelldaten in ROS-Befehle, Odometrie, Transformationen, Diagnosen und Fehlerzustände umwandelt.

Wie lange dauert die Integration eines mobilen Roboterfahrgestells?

Ein grundlegender Proof-of-Concept kann innerhalb weniger Wochen fertiggestellt werden, wenn die mechanischen, elektrischen und softwaretechnischen Schnittstellen gut dokumentiert sind. Die Entwicklung eines serienreifen Roboters dauert in der Regel länger, da auch die Feinabstimmung der Navigation, Dauerbelastungstests, die Sicherheitsvalidierung, die Konstruktionsplanung und die Flottenintegration durchgeführt werden müssen.

Welche Sicherheitsfunktionen sollte ein mobiles Roboterfahrgestell bieten?

Zu den typischen Merkmalen zählen ein zweikanaliger Not-Aus-Schalter, eine ausfallsichere Bremsung, eine sicherheitsgesteuerte Motorfreigabe, ein Hauptschütz, Sicherheits-E/A, ein dokumentiertes Stoppverhalten sowie Schnittstellen für Sicherheitsscanner. Die endgültige Konformität gilt für den gesamten Roboter und muss anhand der aktuellen Normen für die Zielregion und die jeweilige Anwendung validiert werden.

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