Wurmartiges mechatronisches Bewegungssystem für rohrartige Elemente

Pate war die Spannerraupe

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Rohrleitungen sind systembedingt schwer zugänglich für den Menschen. Um also Informationen über ihren Zustand zu erhalten, sind Hilfsmittel notwendig. Da sich konventionelle Prüfmethoden wie optische Systeme aufgrund von Verzweigungen nur bedingt eignen, entstand an der HTWK Leipzig ein „Wurm“ für bidirektionale Bewegungen in rohrartigen Elementen.

Vor allem auf dem Gebiet der Mechatronik ist in den letzten Jahren die Anwendungsbreite bionischer Systemlösungen deutlich zu erkennen. Oft sind Lösungen für Aufgaben zu entwickeln, die für Menschen nur bedingt oder überhaupt nicht geeignet sind. Dazu zählen stark monotone oder repetive Tätigkeiten, Handlungen in extremen Umgebungsbedingungen sowie Arbeiten, die der Mensch hinsichtlich gegebener motorischer oder auch aufgrund der notwendigen Präzision nicht erledigen kann. Einer dieser Arbeitsbereiche sind Rohrleitungssysteme, die beispielsweise dem Transport von Öl, Gas und Wasser dienen. Ihr komplexer und kostenintensiver Einbau führt oft dazu, dass die Systeme weit über ihre eigentliche Betriebsdauer verwendet werden. Neben dadurch vorprogrammierten Produktionsausfällen, ist eine Gefährdung der Umwelt zumeist gegeben. Betreiber von Rohrleitung sind jedoch schon durch die Gesetzgebung verpflichtet, vor allem bei gefährlichem Transportgut, über den Zustand der Leitungen umfassend informiert sein.

Rohrleitungen zeitnah inspizieren
Die zeitnahe Inspektion von Rohrleitungssystemen ist deswegen ein bisher nur bedingt gelöstes Problem. Dabei sind laut Anwenderaussagen vor allem Rohre im Durchmesserbereich von 40 bis etwa 200 mm interessant, da diese nur bedingt mit konventionellen Mitteln, beispielsweise optischen Inspektionseinrichtungen, geprüft werden können. Hintereinander folgende Rohrbiegungen oder Verzweigungen lassen bekannte und eingeführte Inspektionslösungen meist ausscheiden. Deshalb gewinnt die anwendungsorientierte Entwicklung von steuerbaren autonomen oder teilautonomen Inspektionssystemen für rohrartige Elemente besonders an Bedeutung.
An der Fakultät Maschinen- und Energietechnik der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK Leipzig), wurde am Lehrstuhl für Mechatronik unter der Leitung von Professor Detlef Riemer ein wurmartiges mechatronisches Bewegungssystem für bidirektionale Bewegungen in rohrartigen Elementen entwickelt. Das Ganze wurde als Demonstrator aufgebaut und das getestete Konzept zum ersten Mal auf der Hannover-Messe 2010 einer breiten Interessengruppe vorgestellt.
Spannerraupe als biologisches Vorbild
Der Natur nachempfunden basiert das zur Anwendung kommende apedale Bewegungsprinzip im gewissen Sinne dem einer Spannerraupe (engl.: Inchworm), die sich zur Fortbewegung periodisch mit ihren Beinen an einem ihrer jeweiligen Endsegmente festklammert und dann ihren Körper ausstreckt beziehungsweise heranzieht. So generiert sie eine schrittweise und kontinuierliche Fortbewegung.
Auf Basis eines mechatronischen Entwicklungsprozesses entstand daraus ein neuartiges Bewegungskonzept. Die vor allem auch technische Herausforderung bestand darin, dass sich das wurmartige System mit nur einem einzigen Aktor (oder auch Aktuator) in beide Richtungen, also vorwärts und rückwärts bewegen kann.
Eine definierte Bewegungsrichtung kann unter anderem in bekannter Weise mit einem Reibrichtgesperre erzeugt werden. Diesbezüglich gibt es eine Vielzahl konstruktiver Möglichkeiten. Der entwickelte Demonstrator verwendet Borsten. Genutzt wird dabei eine Wechselwirkung zwischen definiert ausgerichteten Borsten und der Rohrinnenwand. Die so erzeugte Gleitreibung ist dabei sehr stark von der Borstenausrichtung abhängig. Wird nun zwischen mindestens zwei gleichartig ausgerichteten Borstenanordnungen eine alternierende Linearbewegung erzeugt, entsteht eine schrittweise Bewegung mit theoretisch unbegrenztem Bewegungsbereich. Die beiden Anordnungen sind in dem Ausführungsbeispiel über eine Spindel miteinander gelenkig verbunden. Dabei wird vorausgesetzt, dass durch die Borsten eine weitestgehend von geometrischen Rohrtoleranzen unabhängige Radialkraft gegenüber der Rohrinnenwand erzeugt wird.
Für eine Bewegungsumkehr des Wurms werden nur die Borsten in die jeweils entgegengesetzte Richtung angestellt. Im Inneren der Module wird dazu das aktive Borstenpaar eingefahren – und das bis dahin inaktive Borstenpaar ausgefahren.
Logisch verknüpfte Mechanismen
Die Borsten selbst sind auf einem elastischen Band befestigt. Aufgrund der mechanischen Anordnung erfolgt die mittels Biegung hervorgerufene Ausrichtung der Borsten völlig selbständig. Dadurch wird die Bewegungsumkehr des Wurms sicher realisiert. Der für die Bewegungen und Verstellvorgänge verwendete Linearantrieb ist klassisch mit Spindel und Mutter aufgebaut. Das Besondere ist, dass ein Teil der Spindelbewegung für die Bewegung selbst und andere Bereiche nur für die Borstenverstellung genutzt werden.
Im erweiterten Sinne auch eine Art Ablaufsteuerung oder Mechanismus mit logischen Verknüpfungen. Die Bewegungen des Motors erfolgen nach festgelegten Parametern, insbesondere wird die Rotorstellung mit einem Drehwinkelencoder ausgewertet. Für das Erkennen der beiden Spindelendpositionen werden der Motorstrom sowie ein integrierter Endschalter kontinuierlich in der Steuerung ausgewertet. Der Motorstrom wird außerdem zum Erkennen von Bewegungs-Störgrößen ausgewertet und der so erhaltene Istwert in einem Regelkreis weiterverarbeitet. Die dazugehörige Mikrocontroller-Steuerung wurde eigens für das Bewegungssystem entwickelt und ist frei programmierbar. Die Steuerung des Wurms ist interaktiv über ein selbsterklärendes Touchscreen-Display möglich.
Im ersten Schritt bestand die Aufgabe (nur) darin, ein Bewegungssystem für die Bewegung im Inneren von Rohren zu entwickeln und seine Funktionalität zu überprüfen. In weiteren Varianten können je nach Inspektionsaufgabe verschiedenartige Sensoren und Visualisierungsmöglichkeiten wie Kameras angebracht werden. Der beschriebene und zum Gebrauchsmuster angemeldete Demonstrator besitzt bereits eine Kamera, die mit einem stromarmen LED-Beleuchtungsring auch bei der zumeist vorhandenen Dunkelheit im Rohr gut auswertbare Bilder an einen externen Monitor liefert.
In der Weiterführung des Projektes werden weitere Bewegungsprinzipien untersucht sowie verschiedene Wurm-Baugrößen realisiert, unter anderem zur Inspektion von Abwasserrohren. Eine wasserdichte bis hermetisch dichte Ummantelung soll das System dauerhaft gegen Fluide, Feuchtigkeit oder Gase wartungsarm schützen.
Bereits konkrete Anfragen, weitere Partner gesucht
Konkrete Industrieanfragen gibt es bereits, weitere Projektpartner werden gesucht. Die Vielzahl der potenziellen Anwendungsgebiete ist erst zum Teil erschlossen. Denkbar sind prinzipbedingt in erster Linie Rohrleitungssysteme in technischen und chemischen Anlagen, Wasser-/Abwasserrohre, Kühl- und Heizungsanlagen, Öl- oder Gasleitungen. Perspektivisch könnte das wurmartige System bestehende Molchsysteme erweitern, da es sich passiv oder auch aktiv um die Ecke bewegen kann. Ein anderer Weg ist, dass Bewegungssystem so zu verkleinern, dass es in der Medizin eingesetzt werden kann.
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