23.12.2013

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Sicher und flexibel: MiRoR – Ein neuer Miniaturroboter

Ob Flugzeugturbinen, Kernkraftwerke oder Offshore-Plattformen: Für den Menschen ist das Inspizieren und Warten gefährlich und die Anlagen sind häufig schwer zugänglich. Daher ist es notwendig, dass diese Aufgaben vor Ort ohne Personal ausgeführt werden können. Im EU-Projekt MiRoR wird derzeit ein neuartiges automatisiertes Werkzeugsystem entwickelt. Der Miniaturroboter soll komplexe Industrieanlagen autonom inspizieren, warten und reparieren. Das Konzept folgt dabei dem Ansatz eines hybriden Systems, das zwei Module miteinander verbindet – den WalkingHex und den SnakeArm. Forscher des Fraunhofer IPA realisieren das Steuerungs- und Planungssystem.

In Schlüsselindustrien wie im Hoch- und Tiefbau, in der Energiewirtschaft sowie in der Luftfahrt ist es besonders wichtig, einen reibungslosen Ablauf der Prozesse durch kontinuierliche Inspektions-, Wartungs- und Reparaturarbeiten zu gewährleisten. Denn ein Ausfall der Anlagen kann gravierende Folgen für die Sicherheit von Menschen und für die Umwelt haben. Zudem entstehen in den meisten Fällen enorme Kosten. Es gibt bisher kaum standardisierte Werkzeuge und Maschinen, die alle Aufgaben bei Wartungsarbeiten durchführen können. Deshalb sind variabel einsetzbare Geräte erforderlich. Das EU-Projekt MiRoR verfolgt das Ziel, eine gesamtheitliche Roboterlösung für die automatisierte, kosteneffiziente, flexible und sichere Anwendung während der Inspektion, Wartung und Reparatur komplexer Industrieanlagen zu entwickeln. Insbesondere große und kostenintensive Einrichtungen müssen regelmäßig und möglichst ohne Unterbrechung der Produktion inspiziert werden. »Um Stillstandzeiten zu reduzieren und somit den finanziellen Ausfall möglichst gering zu halten, muss die Wartung und Reparatur idealerweise auch vor Ort durchführbar sein«, erklärt Matthias Gruhler, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme.

Modulare Komponenten: WalkingHex und SnakeArm

Die vorgesehenen Arbeiten sollen von einem modularen Roboter ausgeführt werden. Im Rahmen des Projekts wird hierfür ein hybrides System bestehend aus WalkingHex und SnakeArm entwickelt: Beide Module sind sowohl einzeln als auch zusammen einsetzbar und können in unterschiedlichen Szenarien Aufgaben bewerkstelligen. Der WalkingHex basiert auf einer parallel-kinematischen Hexapod-Plattform, die die Vorteile von präzisen Bearbeitungsmaschinen und mobilen Robotern vereint. Ein Laufmodus erlaubt es dem WalkingHex, sich selbstständig fortzubewegen. Dadurch kann er insbesondere in für Menschen gefährlichen Umgebungen eingesetzt werden. Im Bearbeitungsmodus sorgt ein spezielles Kalibrierungsprogramm für die erforderliche Präzision.

Neben der WalkingHex-Plattform gehört auch ein endoskopähnlicher Manipulator zum MiRoR-System – der SnakeArm. Damit kann das Gesamtsystem auch in sehr enge Umgebungen vordringen. Die flexible Kinematik erlaubt es, sich um entsprechende Hindernisse zu winden. Deutlich erhöht wird zudem der Aktionsradius von MiRoR, da Überkopfarbeiten möglich sind, bzw. Bereiche überprüft werden können, die für den WalkingHex unzugänglich sind. Für Bearbeitungsaufgaben lässt sich der SnakeArm teilweise versteifen, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen. »Der Roboter soll Mobilität und Präzision vereinen und viele Inspektionsaufgaben durchführen. Die Kinematiken des WalkingHex und des SnakeArms eignen sich dafür optimal und erfüllen diese Anforderungen«, so Felix Meßmer, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme.

Autonomes Steuerungs- und Planungssystem

Um die Inspektion, Wartung und Reparatur weitestgehend autonom ausführen zu können, entwickeln Forscher des Fraunhofer IPA ein intelligentes Steuerungs- und Planungssystem für die MiRoR-Plattform. Geeignete Verfahren und Algorithmen gewährleisten, dass der Roboter zum einen erfolgreich und sicher innerhalb der jeweiligen Anlage navigieren und sich bewegen kann. Zum anderen soll er die Aufgaben präzise sowie zeit- und kosteneffizient bearbeiten.

Hierfür wurden Konzepte für die 3D-Navigation des WalkingHex und des SnakeArms entwickelt. Ein besonderer Vorteil: Durch die intelligente Steuerungssoftware können die Bewegungen von MiRoR entsprechend der aktuellen Hindernis- und Umgebungssituation angepasst werden. Der WalkingHex kann verschiedene Laufmuster ausführen und somit Hindernisse, wie z. B. Stufen, überwinden. Darüber hinaus ist es möglich, dass sich der SnakeArm im Tip-Following-Modus fortbewegt. Ähnlich wie ein Endoskop kann er so flexibel, z. B. für die Inspektion von Flugzeugturbinen, eingesetzt werden. Für die optimale Konfiguration des Roboters sowie die Reihenfolge der Bearbeitungsschritte sorgt ein Aufgabenplaner, der an eine domänenspezifische Wissensdatenbank angebunden ist.

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