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Ein modulares Baukastensystem für Kletterroboter nach dem Gleitrahmenprinzip

 
: Schmierer, G.

Heimsheim: Jost-Jetter Verlag, 2001, 114 pp.
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2001
IPA-IAO Forschung und Praxis, 336
ISBN: 3-931388-63-8
German
Dissertation
Fraunhofer IPA ()
Kletterroboter; Baukasten; Roboter; Reibung

Abstract
Kletterroboter sanieren Brückenpfeiler und andere Großbauwerke, lackieren Schiffsrümpfe, inspizieren in der verstrahlten Umgebung eines Kernkraftwerks oder reinigen schwer zugängliche Glasfassaden. Unter einem Kletterroboter versteht man im allgemeinen einen Roboter, der mit Haft- bzw. Halteelementen ausgestattet ist, welche es ihm ermöglichen, sich an nicht horizontalen glatten Flächen zu bewegen. Der Hauptnachteil der bisher realisierten Systeme besteht darin, daß es sich ausschließlich um hoch spezialisierte Einzelanfertigungen handelt, die an eine Arbeitsaufgabe angepaßt sind und nicht das gesamte Spektrum des jeweiligen Tätigkeitsfeldes abdecken können. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, grundlegende Erkenntnisse zur Modularisierung des industriell erprobten technischen Systems Gleitrahmen-Kletterroboter zu erarbeiten und durch eine systematische Vorgehensweise die Randbedingungen und Potentiale eines modularen Baukastensystems für derartige Kletterroboter aufzuzeigen, um eine maximale Flexiblität diesert Robotersysteme zu erreichen. Die wissenschaftliche Erarbeitung von Grundlagen der Fortbewegung von Gleitrahmenkletterrobotern an nicht horizontalen Flächen bildete einen Schwerpunkt der Arbeit. Um die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten grundlegenden theoretischen Betrachtungen zu verifizieren sowie um eine schnelle Umsetzung der Forschungsergebnisse in die Praxis zu gewährleisten, wurden die konzipierten und entwickelten Module in eine Pilotsystemvariante integriert und im Versuch erprobt.
Ausgehend von einer Repräsentativerhebung zum weltweiten Stand der Technik auf dem Gebiet autonomer Kletterroboter wurde zunächst eine Analyse potentieller Einsatzszenarios für diese Robotersysteme und daran anschließend eine Analyse des Produktspektrums für Kletterroboter nach dem Gleitrahmenprinzip durchgeführt. Hierbei wurden die Halteprinzipien, die Kinematikvrianten sowie die Schreitbewegung dieser Kletterroboter detailliert untersucht. Das Ergebnis dieser Betrachtungen war, daß die aufgrund von Eisnatzgebiet und Arbeitsaufgabe geforderte Funktionsvariante des untersuchten Kletterrobotersystems nur durch die Kombination festgelegter Module wirtschaftlich aufgebaut werden kann. Basierend auf den modulspezifischen Anforderungsprofilen wurden verschiedene Lösungskonzepte entwickelt und im Hinblick auf die gestellten Anforderungen systematisch bewertet und ausgewählt. Nachfolgend wurden für jedes betrachtete Anwendungsszenario die favorisierten Teilsystemlösungskonzepte in Gesamtsystemvarianten integriert. Für das kritische Teilsystem Haltemodul wurden für den Einsatzfall an glatten Oberflächen theoretischen Grundlagen der Reibkraftübertragung von pneumatischen Flächengriefern erarbeitet. Diese Erkenntnisse können in der Praxis herangezogen werden, um Haltemodule für Kletterroboter an variierende Anforderungsprofile bezüglich der übertragbaren Reibungskraft anzupassen. In diesem Zusammenhang bildet das erstmals im Rahmen dieser Arbeit vorgeschlagene Ersatzmodell des Haltemoduls für reale Kontaktflächen, das sich aus einer nichtlinearen Feder und einer Elastomer/Gegenstoff-Paarung hinreichend genau nach.
Zur Evaluierung der Entwicklungsergebnisse wurde eine Gesamtsytemvariante prototypisch aufgebaut und im Dauerbetrieb getestet. Es zeigte sich, daß das neu entwickelte modulare Baukastensystem die gestellten Anforderungen erfüllt. Die durchgeführten Dauerversuche lieferten wichtige Erkenntnisse in Bezug auf realisierbare Geschwindigkeiten, Bewegungsmöglichkeiten und die Zuverlässigkeit der Module bzw. der Gesamtsystemvariante.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-6910.html