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Die Erfindung betrifft ein Fahrantriebssystem für einen Roboter zur Oberflächenpflege. Ferner betrifft die Erfindung einen selbstfahrenden Roboter zur Oberflächenpflege, beispielsweise einen autonom fahrenden Roboter zur Reinigung eines Fußbodens.
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Aus der
DE 10 2016 213 920 A1 ist bekannt, Reinigungsroboter mit Antriebsrädern auszustatten. Nachteilig an Antriebsrädern ist, dass die Kraftübertragung auf den Untergrund im Wesentlichen punktförmig bzw. linienförmig erfolgt. Soll ein Hindernis, zum Beispiel eine Türschwelle oder eine Teppichkante, überwunden werden, so kann die Kontaktfläche zu gering sein, um genügend Traktion für die Überwindung des Hindernisses bereitzustellen. Aus der
KR 10 1 262 934 B1 ist ein an Wänden kletternder Roboter mit einem Raupenantrieb bekannt, dessen Raupenkette sehr aufwändig jeweils mit drei Laufrädern geführt ist.
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Die
US 2017 / 0 239 809 A1 offenbart ein Fahrantriebsystem für einen Roboter zur Oberflächenpflege, umfassend vier Räder, die von demselben Zugmittel umgeben sind, wobei die vier Vorderräder der vier Räder an einer vorderen Radaufhängung befestigt sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, zur einfacheren Überwindung von Hindernissen die Traktion während der Überwindung der Hindernisse weiter zu verbessern bzw. ein alternatives Fahrantriebssystem bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrantriebssystem für einen Roboter zur Oberflächenpflege. Das Fahrantriebssystem bildet den Fahrantrieb mit aus, der den Roboter bewegt. Der Roboter umfasst einen Hauptkörper, beispielsweise ein Gehäuse, in dem Komponenten des Roboters, z. B. ein Energiespeicher, eine Bodenpflegeeinheit, ein Umfelderkennungssystem, eine Steuerung, etc. aufgenommen sind. Das Fahrantriebssystem umfasst mindestens vier Räder, die von einem - und zwar demselben - Zugmittel umgeben sind. Das Zugmittel kann beispielsweise eine Kette, ein Riemen oder ein Band sein. Das Fahrantriebssystem umfasst also ein Laufwerk, ähnlich wie es bei Kettenfahrantrieben für Ketten- oder Raupenfahrzeuge zum Einsatz kommt. Die mindestens vier Räder können auch als Laufrollen des Laufwerks bezeichnet werden, die das Zugmittel führen.
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Mindestens drei Vorderräder der mindestens vier Räder sind an einer vorderen Radaufhängung befestigt. Die vordere Radaufhängung ist eine Komponente des Fahrantriebssystems, die zur Überwindung von Hindernissen relativ zum Hauptkörper drehbar um eine Drehachse der Radaufhängung gelagert ist. An der Radaufhängung sind wiederum die mindestens drei Räder drehbar aufgenommen. Erfindungsgemäß können die drei Vorderräder über die Radaufhängung starr miteinander gekoppelt sein. Die Radaufhängung selbst kann jede geeignete Form aufweisen. Beispielsweise kann die Radaufhängung für drei Räder dreieckig ausgebildet sein oder drei Speichen umfassen, die sich von der Radaufhängungsdrehachse weg erstrecken. Bei einer anderen Anzahl von Rädern kann die Radaufhängung sinngemäß ausgebildet sein, nämlich bei vier Rädern vorzugsweise quadratisch usw.
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Mindestens ein Hinterrad der mindestens vier Räder ist nicht an der vorderen Radaufhängung befestigt, sondern ist separat davon. Es ist mit einer eigenen Radaufhängung an dem Hauptkörper befestigt, die ihrerseits starr gelagert ist. Das Hinterrad ist direkt über das Zugmittel mit den Vorderrädern gekoppelt. Das Hinterrad ist weiter vom vorderen Ende des Roboters beabstandet als die drei Vorderräder und bildet regelmäßig die hintere Umlenkrolle aus. Die Vorderräder und das mindestens eine Hinterrad lassen sich mit Bezug zur Hauptfahr- und -arbeitsrichtung des Roboters definieren, wonach die Vorderräder in Fahrtrichtung vorne und damit einem potenziellen Hindernis zugewandt angebracht sind, das Hinterrad folglich hinten und einem Hindernis abgewandt.
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Die Erfindung wendet sich also von einer punkt- oder linienförmigen Kontaktfläche des Roboters je Spur ab, weil sie in anspruchsvollen Fahrsituationen zum Durchrutschen führen kann. Sie verfolgt vielmehr das Prinzip, mit dem Fahrantrieb eine größere und in Fahrtrichtung langgestreckte Kontaktfläche zum Untergrund zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Fahrantriebssystem gewährt damit insbesondere während der Überwindung eines Hindernisses eine verbesserte Traktion. Somit sinkt die Wahrscheinlichkeit erheblich, dass der Roboter von einem Benutzer über das Hindernis getragen werden muss. Der Roboter kann somit größere und/oder komplexere Areale autonom pflegen.
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Die mindestens drei Vorderräder weisen jeweils eine eigene Drehachse auf, die auf den Eckpunkten eines Dreiecks liegen. Die Radaufhängung der drei Vorderräder ist also als ein drehbar gelagertes Rollendreieck ausgestaltet. Zweckmäßig bilden die Drehachsen dreier Vorderräder ein gleichseitiges Dreieck aus, in dessen Mittelpunkt die Drehachse der Radaufhängung angeordnet ist.
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Die vordere Radaufhängung kann über mindestens ein Federmittel in Richtung der Hochachse des Roboters federnd gegenüber dem Hauptkörper des Roboters gelagert sein. Die Hochachse des Roboters ist die Achse, die sich in einer waagerechten Gebrauchslage des Roboters in vertikaler Richtung erstreckt. Als Federmittel können beispielsweise Schrauben- oder Tellerfedern zum Einsatz kommen, deren Wirkungsrichtung in Richtung oder schräg zur Hochachse angeordnet ist. Durch die Gewichtskraft des Roboters wird das mindestens eine Federmittel in Richtung der Hochachse vorgespannt. Gerät der Roboter in Schieflage, so kann das mindestens eine Federmittel aufgrund seiner Entlastung ausfahren und den Kontakt zum Untergrund zumindest bis zu einer Grenzschieflage sicherstellen. Ebenso kann es Vertiefungen im Untergrund ausgleichen.
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Grundsätzlich kann jedes Rad der mindestens vier Räder als Antriebsrad ausgestaltet sein. Bevorzugt ist das Hinterrad das Antriebsrad des Fahrantriebsystems und treibt die mindestens drei Vorderräder an. Weil das Hinterrad ohne drehbare Radaufhängung gelagert ist, bietet sein Antrieb einen geringeren konstruktiven Aufwand. Das Hinterrad ist zweckmäßig drehmomentübertragend mit einem Motor gekoppelt. Der Motor kann beispielsweise ein elektrischer Antrieb sein, der sich in der Regel im Hauptkörper befindet. Eine solche Ausgestaltung ist einfach und kostengünstig zu realisieren. Bevorzugt sind also die Vorderräder bzw. die vordere Radaufhängung keine Antriebskomponenten, die das Zugmittel während der hindernisfreien Oberflächenpflege antreiben.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Fahrantriebssystem über eine Spannvorrichtung für das Zugmittel verfügen. Damit kann in den unterschiedlichen Stellungen der drehbaren Radaufhängung und trotz einer eventuellen allmählichen Längung des Zugmittels dessen Kontakt zur Bodenfläche sichergestellt werden. Bevorzugt kann die Zugmittelspannvorrichtung am Hinterrad vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Hinterradaufhängung mindestens ein Federmittel umfassen, welches das Hinterrad in der Gebrauchslage des Roboters in einer Richtung parallel zum Untergrund von der vorderen Radaufhängung weg vorspannt. Ein so vorgespannt gelagertes Hinterrad stellt unabhängig vom Verspannzustand des Federmittels einen gleichbleibenden bzw. betriebsnotwendigen Mindestabstand zwischen der Fahrbahnoberfläche und der Unterseite des Roboters sicher. Damit kann das Hinterrad zusätzlich als Zugmittelspannrad fungieren.
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Erfindungsgemäß kann das Fahrantriebssystem derart angeordnet und ausgebildet sein, dass während der hindernisfreien Oberflächenpflege eines im Wesentlichen ebenen Untergrunds zwei der mindestens drei Vorderräder und das mindestens eine Hinterrad den Untergrund mittelbar unter Zwischenschaltung des Zugmittels kontaktieren, indem die Räder das Zugmittel per Gewichtskraft des Roboters auf den Untergrund drücken. Vorteilhaft liegt somit das Zugmittel gut und möglichst großflächig auf dem Untergrund auf, weshalb sich die Traktion verbessert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Fahrantriebssystem einen Motor zum Rotieren der Radaufhängung umfassen, der die Radaufhängung zweckmäßig nur während der Überwindung eines Hindernisses rotiert. Ein Steuergerät des Roboters kann die situationsabhängige Rotation der Radaufhängung regeln bzw. steuern. Die Radaufhängung braucht damit zur Überwindung von Hindernissen nicht mehr passiv, nämlich durch den Antrieb des Roboters, um die Radaufhängungsdrehachse rotiert zu werden. Mit einer aktiven Rotation der Radaufhängung gelingt nämlich eine flüssigere Überwindung nicht nur herkömmlicher, sondern auch größerer Hindernisse. Zweckmäßig ist der Motor mit der Radaufhängung drehmomentübertragend gekoppelt. Insbesondere ist die Radaufhängung derart rotierbar, dass ein bisher vom Untergrund beabstandetes Vorderrad auf das zu überwindende Hindernis aufsetzbar ist.
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Das Antriebssystem kann also zweckmäßig derart angeordnet und ausgebildet sein, dass während der Überwindung eines überwindbaren Hindernisses i) das Hinterrad den Untergrund mittelbar unter Zwischenschaltung des Zugmittels kontaktiert und ii) durch Rotation der Radaufhängung ein bisher den Untergrund mittelbar unter Zwischenschaltung des Zugmittels kontaktierendes Vorderrad anhebbar und ein bisher vom Untergrund beabstandetes Vorderrad auf das Hindernis mittelbar aufsetzbar ist. Vorteilhaft kontaktieren somit fast immer mindestens drei Räder mittelbar die Oberflächen von Untergrund und Hindernis.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner gelöst durch einen selbstfahrenden bzw. autonom fahrenden Roboter beispielsweise zur Oberflächenpflege.
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Insbesondere kann der Roboter autonom, d. h. ohne Benutzereingriff agieren. Der Roboter umfasst regelmäßig zwei Fahrantriebssysteme, wie sie hier beschrieben sind, nämlich an jeder Seite des Roboters eines. Der Roboter kann insbesondere ein Bodenpflegeroboter sein. Als Oberflächenpflege wird in diesem Zusammenhang jegliche pflegende Art der Einwirkung auf eine Oberfläche angesehen, also insbesondere Nassreinigung, Staubsaugen, Desinfektion oder Polieren, aber auch Kehren, Rasenmähen, Vertikutieren etc.
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Das Prinzip der Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Roboters 1 in der Gebrauchslage vor der Überwindung des Hindernisses H,
- 2 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Roboters 1 zu Beginn der Überwindung des Hindernisses H,
- 3 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Roboters 1 während der Rotation der Radaufhängung 70 und vor dem Auftreffen des Vorderrads 40 auf das Hindernis H, und
- 4 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Roboters 1 während der Rotation der Radaufhängung 70 zu einem Zeitpunkt, an dem das Vorderrad 40 auf das Hindernis H aufgetroffen ist.
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Die 1 zeigt schematisch einen Roboter 1 mit dem erfindungsgemäßen Fahrantriebssystem 10, hier als Bodenpflegeroboter, der einen Untergrund U reinigt. Der Roboter 1 reinigt in der 1 einen hindernisfreien Bereich, solange sich ein Hindernis H nicht zumindest teilweise unterhalb des Roboters 1 befindet. Während der hindernisfreien Oberflächenpflege liegen die zwei Vorderräder 20, 30 und das Hinterrad 50 mittelbar über das Zugmittel 60 auf dem Untergrund U auf. Die zwei Vorderräder 20, 30 und das Hinterrad 50 drücken den zwischen dem Untergrund U und dem entsprechenden Rad 20, 30, 50 befindlichen Abschnitt des Zugmittels 60 direkt auf den Untergrund U. Insgesamt wird also der den Untergrund U kontaktierende Abschnitt des Zugmittels 60, der sich von einer ersten Kontaktstelle mit dem Hinterrad 50 bis zu einer letzten Kontaktstelle mit dem Vorderrad 20 erstreckt, an drei Stellen auf den Untergrund U gedrückt.
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Der Roboter 1 reinigt den waagerecht ausgerichteten Untergrund U und ist dementsprechend in einer waagerechten Gebrauchslage gezeigt. In Hauptfahrt- und - arbeitsrichtung X des Roboters 1 befindet sich ein Hindernis H auf dem Untergrund U. Senkrecht zur Hauptfahrtrichtung X bzw. zur Gebrauchslage verläuft die Hochachse Z des Roboters 1.
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Die drei Vorderräder 20, 30, 40 sowie das Hinterrad 50 werden von demselben Zugmittel 60 umgeben. Das Zugmittel kann beispielsweise eine Kette sein, die bevorzugt aus Kunststoff hergestellt ist. Das Zugmittel 60, die Vorderräder 20, 30, 40 und das Hinterrad 50 bilden ein Laufwerk aus, ähnlich wie es von Kettenfahrantrieben für Ketten- oder Raupenfahrzeuge bekannt ist. Die drei Vorderräder 20, 30, 40 sind an der vorderen Radaufhängung 70 befestigt. Jedes der drei Vorderräder 20, 30, 40 ist jeweils um seine Drehachse 22, 32, 42 drehbar an der Radaufhängung 70 gelagert. Die Drehachsen 22, 32, 42 der drei Vorderräder 20, 30, 40 bilden Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks. Die Vorderräder 20, 30, 40 sind über die Radaufhängung 70 starr miteinander verbunden. Die Radaufhängung 70 selbst ist gegenüber dem Hauptkörper 12 bzw. dem Robotergehäuse um eine Radaufhängungsdrehachse drehbar ausgebildet. Die Radaufhängungsdrehachse verläuft durch den Schwerpunkt des gleichseitigen Dreiecks. Die Radaufhängung 70 wird durch ein dreieckförmiges Element ausgebildet.
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Das Fahrantriebsystem 10 umfasst einen Motor zum Rotieren der vorderen Radaufhängung 70 um die Radaufhängungsdrehachse während der Überwindung des Hindernisses H. Der Motor zum Rotieren der Radaufhängung 70 dient zur Positionierung der Vorderräder 20, 30, 40 während der Überwindung des Hindernisses H. Die Funktionsweise der drehbaren Radaufhängung 70 wird im Zusammenhang der folgenden 2 bis 4 eingehender erläutert. Zu anderen Betriebsphasen bzw. zu anderen Zwecken erfolgt zweckmäßig keine Rotation der Radaufhängung 70.
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Die Radaufhängung 70 wird über das Federmittel 72 in Richtung der Hochachse Z des Roboters 1 federnd gegenüber dem Hauptkörper 12 gelagert. Die Gewichtskraft des Roboters 1 bewirkt ein Einfedern des Federmittels 72 während der Bodenpflege. Das Federmittel 72 kann Bodenunebenheiten durch ein entsprechendes Ausfedern zumindest zu einem gewissen Grad ausgleichen und Kontakt zum Untergrund U weiterhin ermöglichen. Zudem verbessert die Federung der Radaufhängung 70 den Bodenkontakt während der Überwindung eines Hindernisses H (vgl. 2).
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Das Hinterrad 50 ist mit Bezug auf die Hauptfahrrichtung X weiter hinten angeordnet als die Vorderräder 20, 30, 40. Es ist nicht an der vorderen Radaufhängung 70 befestigt, sondern verfügt über eine eigene hintere Radaufhängung. Das Hinterrad 50 und die Vorderräder 20, 30, 40 sind der Einfachheit halber gleich groß ausgebildet. Die Drehachsen der Räder 20, 30 und 50 bilden eine Ebene aus, die parallel zum Untergrund U verläuft. Am Hinterrad 50 ist eine Zugmittelspannvorrichtung 80 vorgesehen. Die Zugmittelspannvorrichtung 80 wird von einem Federmittel ausgebildet, das das Hinterrad 50 parallel zum Untergrund U von der vorderen Radaufhängung 70 weg vorspannt. Vorteilhaft stellt sich somit unabhängig vom Grad der Einfederung des Federmittels immer der gleiche Abstand zwischen dem Unterboden des Roboters 1 und dem Untergrund U ein. Ferner lässt sich die Zugmittelspannvorrichtung 80 vergleichsweise einfach und kostengünstig realisieren.
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Das Hinterrad 50 ist zugleich das Antriebsrad des Fahrantriebssystems 10. Es bietet nämlich die größte Umschlingungslänge des Zugmittels 60 und ist mit einem Elektromotor drehmomentübertragend gekoppelt. Das Antriebsdrehmoment kann über das Hinterrad 50 als Antriebsrad auf das Zugmittel 60 übertragen werden, das wiederum die Vorderräder 20, 30, 40 antreibt. Ein so ausgebildeter Antriebsstrang ist einfacher und kostengünstiger zu realisieren als ein Vorderradantrieb, der aber grundsätzlich nicht ausgeschlossen ist.
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Die 2 bis 4 zeigen den Roboter 1 gemäß der 1 während der Überwindung eines im Querschnitt rechteckförmigen Hindernisses H. Der Roboter 1 schiebt sich zumindest teilweise auf das Hindernis H, indem der vordere Bereich des Unterbodens des Roboters 1 auf das Hindernis H gleitet. Dadurch wird der vordere Bereich des Roboters 1 angehoben und der Hauptkörper 12 gerät in eine Schieflage relativ zum Untergrund U. Dank der federnd aufgehängten vorderen Radaufhängung 70 bleiben die beiden Vorderräder 20, 30 trotz der Schieflage des Hauptkörpers 12 im mittelbaren Kontakt mit dem Untergrund U.
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Die 3 zeigt den Roboter 1 gemäß der 1 in einem Zustand, in dem das Vorderrad 30 bzw. das Zugmittel 60 das Hindernis H berührt und das bisher den Untergrund U mittelbar kontaktierende Vorderrad 20 nicht mehr den Abschnitt des Zugmittels 60 berührt, der auf dem Untergrund U aufliegt. Dieser Zustand wird erreicht, indem der Motor zum Rotieren der vorderen Radaufhängung 70 die Radaufhängung 70 um die Radaufhängungsdrehachse im Uhrzeigersinn dreht. Durch die Rotation der vorderen Radaufhängung 70 von der Position gemäß der 2 in die Position gemäß der 3 wird zugleich der Roboter 1 im vorderen Bereich insgesamt angehoben und sein Schwerpunkt dem Hindernis H näher gerückt, wodurch sich das Überwinden des Hindernisses H zusätzlich vereinfacht.
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Die Rotation kann ausgelöst werden, sobald das zunächst erste Vorderrad 30 bzw. der dort angeordnete Abschnitt des Zugmittels 60 das Hindernis H berührt. Alternativ kann die Rotation der Radaufhängung 70 basierend auf einem Signal eines Sensors zur Umfelderkennung bereits früher eingeleitet werden.
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Die 4 zeigt den Roboter 1 gemäß der 1 in einem Stadium, in dem durch weitere Rotation der vorderen Radaufhängung 70 das bisher vom Untergrund U beabstandete Vorderrad 40 auf dem zu überwindenden Hindernis H aufgesetzt hat. In diesem Zustand liegen nun die zwei Vorderräder 30, 40 auf dem Hindernis H auf und drücken das Zugmittel 60 auf dessen Oberseite. Zudem verfügen die Vorderräder 30, 40 nun über eine größere Kontaktfläche zum Zugmittel 60 als vorher die Vorderräder 20, 30 in 1 und 2. Der dazwischen gespannte Abschnitt des Zugmittels 60 ermöglicht ein Klettern über die Kante des Hindernisses H. Somit ist eine zuverlässige Traktion während der Überwindung des Hindernisses H gewährleistet. Der weitere Vortrieb durch das Hinterrad 50 und die motorische Rotation der vorderen Radaufhängung 70 sorgen anschließend dafür, das Vorderrad 30 auf das Hindernis H zu bringen. Damit hat der Roboter das Hindernis erklommen und kann es im Folgenden überwinden.
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In den Figuren ist ein Fahrantriebssystem 10 eines Roboters 1 gezeigt, das auf einer Seite des Roboters 1 angeordnet ist. Zweckmäßig umfasst ein Roboter 1 zwei erfindungsgemäße Fahrantriebssysteme 10, wobei ein Fahrantriebssystem 10 in der Draufsicht auf der rechten Seite und ein Fahrantriebssystem 10 auf der linken Seite angeordnet ist.
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Da es sich bei dem vorhergehenden, detailliert beschriebenen Fahrantriebssystem um ein Ausführungsbeispiel handelt, kann es in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann das Fahrantriebssystem mehr als vier Räder aufweisen, darunter mehrere Hinterräder. Die vordere Radaufhängung kann zudem über denselben Motor angetrieben werden wie das als Antriebsrad ausgebildete Hinterrad. Außerdem können die Räder zusätzlich zu ihrem mittelbaren Kontakt zum Untergrund über das Zugmittel auch einen unmittelbaren Kontakt haben, um z.B. ihre Klettereigenschaften zu verbessern. Ebenso kann das Fahrantriebssystem in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. gestalterischen Gründen notwendig ist. Außerdem schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrmals oder mehrfach vorhanden sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboter
- 10
- Fahrantriebssystem
- 12
- Hauptkörper
- 20, 30, 40
- Vorderräder
- 50
- Hinterrad
- 60
- Zugmittel
- 70
- vordere Radaufhängung
- 22, 32, 42
- Drehachse
- 72
- Federmittel
- 80
- Zugmittelspannvorrichtung
- H
- Hindernis
- U
- Untergrund
- X
- Fahrtrichtung
- Z
- Hochachse
