Design and prototyping of an omnidirectional base for an indoor robot

Abstract

Auf Grund der steigenden Anzahl an älteren Personen in unserer Gesellschaft und deren Wunsch möglichst lange unabhängig zu Hause zu leben, steigt der Bedarf an Pflegepersonal drastisch an. Die voraussichtliche Nachfrage kann nur durch die Entwicklung von persönlichen Servicerobotern befriedigt werden, die älteren Menschen bei täglichen Aufgaben helfen. Derzeit gibt es noch einige Hindernisse, die den Einsatz von Robotern in der Altenpflege unterbinden. Abgesehen von notwendigen Sensoren und Aktuatoren fehlen niedrige Preise und die nötige Flexibilität. Blue Danube Robotics GmbH zielt darauf ab diese Hindernisse zu beseitigen und einen Serviceroboter zu entwickeln der älteren Personen hilft zu Hause zu leben. Für die optimale Nutzung des Roboters zu Hause ist eine omnidirektionale Plattform essentiell. Das Design der präsentierten mobilen Plattform basiert auf der Analyse typischer Herausforderungen, die auf Grund der Arbeitsumgebung auftreten. Von dieser Analyse und von einigen Designeinschränkungen wurde eine Liste von Anforderungen abgeleitet, die die notwendige Flexibilität des Roboters in seinem Umfeld sicherstellt. Auf Basis dieser Liste wurden ein Design und ein Prototyp der mobilen Roboterplattform erstellt. Entsprechend dem Design ermöglichen vier Fahrmodule, die jeweils aus zwei hydraulischen Rotationsaktuatoren und einem Hydraulikzylinder bestehen, der mobilen Plattform den Roboter durch die Wohnung zu bewegen. Dank der Implementierung der Hydraulikzylinder ist die Plattform in der Lage Schwellen und einzelne Stufen (bis zu 210 mm ) zu überwinden. Die Einzelteile der Tragestruktur können zusammengesteckt werden. Entsprechend dem Entwurf werden die Oberflächen mit einem weichen, taktilen Material verkleidet, welches Kollisionen detektiert und gleichzeitig das Verletzungsrisiko verringert. Nicht alle Aspekte des Designs konnten im finalen Prototypen umgesetzt werden. Es wurde eine Strategie zum Überwinden einzelner Stufen präsentiert. Der erste Prototyp der omnidirektionalen Roboterplattform ist in der Lage Schwellen bis zu 20 mm zu überwinden und Rampen zu befahren. Wegen ihrer Abmaße erlaubt die Plattform Flexibilität und die Nutzung als Aufstehhilfe. Die Tragestruktur besteht aus umweltfreundlichem Material und erlaubt eine einfache Wartung. Die vorgestellte mobile Plattform kann den zukünftigen Roboter von Blue Danube Robotics durch Häuser und Wohnungen bewegen und bringt damit diesen Roboter seiner Umsetzung einen Schritt näher.

Due to the increasing number of elderly people in our society and their wish to live independently at their homes as long as possible, the need for care attendants is drastically increasing. The foreseeable demand can only be satisfied by the development of personal service robots, who assist elderly people at everyday tasks. At the moment several barriers prevent robotic assistants from resolving this problem in the field of elderly care. Besides the need for more elaborate sensors and actuators, important barriers are the current prices for mobile service robots and their necessary flexibility. Blue Danube Robotics GmbH aims to eliminate these barriers and develop a service robot helping elderly and handicapped people to live their lives at home. For the optimal use of the robot at home, an omnidirectional robot base is essential. The design of the omnidirectional mobile base presented is based on the analysis of typical challenges arising from the robots environment. From this analysis and several design limitations a list of requirements was derived, ensuring the necessary flexibility of the robot in its environment. Based on this list the mobile base was designed and prototyped. According to the developed design four drive modules, each consisting of two hydraulic rotary actuators and one hydraulic cylinder, enable the mobile platform to move the robot through the apartment. Due to the implementation of hydraulic cylinders the base design is capable of overcoming thresholds and single steps (up to 210 mm ). The components of the supporting structure are designed to be assembled using wood connections. According to the design the surfaces are covered with a soft tactile material to detect collisions and at the same time to reduce the risk of injury. Not all aspects of the design could be realized in the final prototype due to time limitations and manufacturing problems. A strategy to overcome single steps was developed and presented. The first prototype of the omnidirectional robot base is capable of climbing thresholds up to 20 mm and to drive on ramps. Due to its dimensions the base provides flexibility and can be used as an aid for standing up. The support structure uses eco-friendly material and allows easy maintenance. The mobile platform presented is capable of moving Blue Danube Robotics future robot through houses and apartments, bringing the robot one step closer to realization.