DE10140990A1 - Halte- und Fortbewegungsmodul für einen Kletterroboter - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halte- und Fortbewegungsmodul für einen Kletterroboter, das einen Grundkörper, Mittel zur Haftung an einem Untergrund und zumindest einen über am Grundkörper gelagerte Rollenelemente umlaufenden Transportriemen aufweist, der durch einen Motor angetrieben wird. Der Transportriemen ist mit einer Vielzahl von freien Durchgangsöffnungen durchsetzt. Die Mittel zur Haftung am Untergrund werden durch eine mit einer Vakuumpumpe verbundene und zum Transportriemen hin geöffnete Vakuumkammer gebildet, an der der Transportriemen über einen Längsabschnitt mit seiner nach innen gerichteten Hauptfläche derart gleitend anliegt, dass bei Einsatz des Moduls auf einem Untergrund die durch die Durchgangsöffnungen in Verbindung mit dem Untergrund in dem Längsabschnitt gebildeten Hohlräume über die Vakuumkammer abgesaugt werden können. DOLLAR A Das vorliegende Halte- und Fortbewegungsmodul ermöglicht eine Fortbewegung auf beliebig orientierten Oberflächen mit geringem Energiebedarf. In einer besonderen Ausgestaltung lässt sich das Modul auch auf rauem Untergrund betreiben.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halte- und Fortbewegungsmodul für einen Kletterroboter, das einen Grundkörper, Mittel zur Haftung an einem Untergrund und zumindest einen über am Grundkörper gelagerte Rollenelemente umlaufenden Transportriemen aufweist, der durch einen Motor angetrieben wird.
• Für Kletterroboter stehen vielfältige Einsatzmöglichkeiten zur Verfügung, beispielsweise der Einsatz für Werbe-, Inspektions- oder Reinigungsaufgaben an unterschiedlich orientierten Flächen, die für andere automatisierte Systeme schwer oder nur mit großem Aufwand zugänglich sind. So lassen sich Kletterroboter an horizontalen, vertikalen und schräg verlaufenden Flächen nutzen und können auch über Kopf zum Festhalten sowie zum kontinuierlichen Fortbewegen eingesetzt werden. Derartige Flächen treten beispielsweise an Bauwerken, wie Häusern, Fassaden, Hallen, Brücken usw., sowohl innen als auch außen, an Schiffsrümpfen und Schiffswänden sowie auch an anderen großen technischen Geräten und Bauteilen wie Kesseln, Tanks, Druckbehältern usw. auf.
• Für die Fortbewegung an diesen beliebig orientierten Flächen ist ein geeignetes Halte- und Fortbewegungsmodul unerlässlich, an dem die Aktoren und Sensoren für die Durchführung der Funktionen des Kletterroboters befestigt werden können.
• Stand der Technik
• Neben Halte- und Fortbewegungsmodulen in Form von Magnetgreifern, die einen speziellen metallischen Untergrund erfordern, werden vor allem Vakuumgreifer bzw. Vakuumhaltesysteme als Halte- und Fortbewegungsmodule für Kletterroboter eingesetzt. Diese Vakuumhaltesysteme, bei denen größere Saugglocken oder kleinere Saugnäpfe mit dem Untergrund in Kontakt gebracht und über eine Vakuumpumpe mit einem Unterdruck beaufschlagt werden, sind für einen Untergrund mit einer glatten Oberfläche gut geeignet. Bei unebenen oder porösen Oberflächen treten allerdings häufig Schwierigkeiten auf, da eine geeignete Abdichtung gegenüber dem Untergrund nicht zu erreichen ist.
• Bei Vakuumhaltesystemen existiert ein fester Zusammenhang zwischen dem Unterdruck, d. h. der Saug- bzw. Normalkraft, und übertragbaren Scherkräften wie der Haft- und Gleitreibung des Saugermaterials zur Oberfläche. Zieht der Sauger bei einer Oberflächenstörung Fehlluft, so kann diese Fehlluft zum Versagen der Haltefunktion, zumindest jedoch zu einer deutlichen Kraftreduzierung führen.
• Nur spezielle Sonderlösungen können hier Abhilfe schaffen. So ist es z. B. bekannt, diese Fehlluft durch leistungsstarke Vakuumpumpen auszugleichen. Derartige Konzepte erfordern jedoch einen hohen Energiebedarf für die Vakuumpumpe, so dass sie für autonome Systeme, d. h. für Systeme ohne eine kabelgebundene Verbindung zu externen Einheiten, nicht geeignet sind.
• Auf der anderen Seite sind Vakuumhaltesysteme bekannt, bei denen eine Vielzahl von Saugern am Haltemodul eingesetzt werden. Der Unterdruck in den einzelnen Saugern wird hier unabhängig voneinander gesteuert. Daher sind zusätzliche Sensoren erforderlich, um das Vakuum in den einzelnen Saugern zu überwachen, und zusätzliche Aktoren, um die Sauger einzeln an- und ausschalten zu können. Dies führt zu einer aufwendigen Leitungsführung und erfordert eine aufwendige Steuerung. Zusätzlich gibt es für die Auswahl der richtigen Sauger nur Erfahrungswerte und keine Berechnungsmöglichkeiten. Die Auswahl wird daher über Vorversuche empirisch durchgeführt.
• Ein weiteres Problem bei den bekannten Halte- und Fortbewegungsmodulen für Kletterroboter stellt das geeignete Fortbewegungsprinzip dar. So sind für die Fortbewegung beispielsweise Systeme mit mehreren Haltemodulen und einem Manipulator bekannt. Zumindest ein Haltemodul wird bei derartigen Lösungen jeweils belüftet, durch den Manipulator versetzt und wieder angesaugt, während zumindest ein weiteres Haltemodul im angesaugten Zustand verbleibt. Dies erfordert jedoch neben mehreren Haltemodulen auch einen zusätzlichen Manipulator.
• Ein weiteres Konzept zur Fortbewegung auf einer Oberfläche bzw. einem Untergrund ist aus der DE 197 27 421 C2 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt einen Kletterroboter mit einem Halte- und Fortbewegungsmodul, das einen Grundkörper, Mittel zur Haftung an einem Untergrund und zwei über am Grundkörper gelagerte Rollenelemente umlaufende Transportriemen aufweist, die durch einen Motor angetrieben werden. Die Mittel zur Haftung an einem Untergrund werden durch eine Vielzahl von Saugnäpfen gebildet, die am Transportriemen befestigt sind. Die Sauger sind bei diesem Modul als passive Saugelemente ausgebildet und werden durch eine geeignete mechanische Konstruktion beim Abheben vom Untergrund während der Bewegung des Transportriemens automatisch belüftet. Die Erzeugung des Unterdrucks erfolgt durch einfaches Andrücken der Saugelemente an den Untergrund während der Fortbewegung. Dies ermöglicht eine energiesparende Betriebsweise dieses Kletterroboters, da keine leistungsstarke Vakuumpumpe erforderlich ist. Auf der anderen Seite ist die Funktion dieses Kletterroboters jedoch an eine möglichst glatte Oberfläche gebunden, da keine Fehlluft ausgeglichen werden kann.
• Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Halte- und Fortbewegungsmodul für einen Kletterroboter anzugeben, das eine zuverlässige Haltefunktion auch auf rauem Untergrund ermöglicht und mit geringem Energieverbrauch auskommt.
• Darstellung der Erfindung
• Die Aufgabe wird mit dem Halte- und Fortbewegungsmodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Moduls sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Das vorliegende Halte- und Fortbewegungsmodul weist als Grundelemente einen Grundkörper, Mittel zur Haftung an einem Untergrund und zumindest einen über am Grundkörper gelagerte Rollenelemente umlaufenden Transportriemen auf, der durch einen Motor angetrieben wird. Die Mittel zur Haftung an einem Untergrund werden durch eine Kombination aus Vakuumpumpe, Vakuumkammer und Aussparungen bzw. freie Durchgangsöffnungen im Transportriemen gebildet. Die Vakuumkammer ist zum Transportriemen hin geöffnet und mit der Vakuumpumpe verbunden. Der Transportriemen liegt über einem Längsabschnitt mit seiner nach innen gerichteten Hauptfläche derart gleitend an der Vakuumkammer an, dass bei Einsatz des Moduls auf einem Untergrund bzw. einer Oberfläche die durch die Durchgangsöffnungen im Transportriemen in Verbindung mit dem Untergrund in dem jeweiligen Längsabschnitt gebildeten Hohlräume über die Vakuumkammer abgesaugt werden können. Der Transportriemen ist hierbei einerseits gegenüber der Vakuumkammer, d. h. auf seiner inneren Hauptfläche, möglichst glatt ausgebildet, um eine optimale Abdichtung zu der Vakuumkammer, genauer gesagt zu den die Öffnung der Vakuumkammer begrenzenden Flächen, zu ermöglichen. Auf der anderen Seite kann die nach außen gerichtete Hauptfläche des Transportriemens, die mit dem Untergrund in Kontakt tritt, zur optimalen Abdichtung gegenüber dem Untergrund, d. h. vorzugsweise möglichst elastisch und anschmiegsam ausgebildet sein.
• Das vorliegende Halte- und Transportsystem kann insbesondere für autonome Kletterroboter mit unterschiedlichen Applikationen, wie beispielsweise Reinigung, Werbung/Marketing oder Inspektion, an horizontalen, vertikalen und schrägen Flächen, über Kopf zum Festhalten und zum kontinuierlichen Fortbewegen eingesetzt werden.
• Über die Einstellung des Unterdrucks in der Vakuumkammer dieses raupenartigen Halte- und Fortbewegungsmoduls kann die Haltekraft vergrößert oder verkleinert werden, ohne dabei die notwendige Fortbewegungskraft zu stark zu beeinflussen. Da während der Fortbewegung jeweils nur die durch die Bewegung des Transportriemens neu hinzugekommenen Volumina bzw. Hohlräume des Transportriemens abgesaugt werden müssen, ist der Energiebedarf für die Vakuumpumpe relativ niedrig, so dass diese und der Antrieb für den Transportriemen auch mit einer eingebauten wiederaufladbaren Batterie betrieben werden können. Dies macht das vorliegende Halte- und Transportmodul unabhängig von einer externen Energieversorgung.
• In der bevorzugten Ausführungsform wird der Transportriemen durch einen inneren Riemen mit einem darauf aufgebrachten äußeren Belag gebildet. Der innere Riemen nimmt dabei die durch die Transportbewegung auftretenden Zugkräfte in Transportrichtung auf und ist entsprechend zugfest ausgestaltet, während der äußere Belag der verbesserten Haftung und Anschmiegung an einen rauen Untergrund dient. Der äußere Belag kann dabei optimal an den Untergrund angepasst werden, während der innere Riemen optimal zur Abdichtung gegenüber der Vakuumkammer ausgebildet sein kann. Durch diese Zweiteilung des Transportriemens lässt sich ein optimiertes Halte- und Transportmodul realisieren.
• Der Belag ist vorzugsweise aus einem geschlossenporigen elastischen und anschmiegsamen Material gebildet und weist eine bestimmte Mindeststärke in Abhängigkeit vom Untergrund auf. Die Aussparungen bzw. Durchgangsöffnungen in diesem Belag können eine andere Querschnittsform aufweisen als die Durchgangsöffnungen im inneren Riemen. Die Durchgangsöffnungen im inneren Riemen sind vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, so dass sie einer höheren Zugbelastung widerstehen. Selbstverständlich stehen die Durchgangsöffnungen des Belages mit den Durchgangsöffnungen des Riemens in Verbindung. Im Riemen können diese Durchgangsöffnungen bzw. Aussparungen beispielsweise ausgestanzt werden. Vorzugsweise sind sie in bestimmten, regelmäßigen Abständen über den gesamten Transportriemen verteilt. Lediglich im Randbereich des Transportriemens befinden sich keine Durchgangsöffnungen, da dieser Bereich zur Abdichtung gegenüber der Vakuumkammer dient.
• Der Transportriemen wird während des Transportes über die nach unten offene bzw. eine oder mehrere Öffnungen aufweisende Vakuumkammer geführt. Die Vakuumkammer drückt dabei derart nach unten gegen den Transportriemen, dass sich während der gleitenden Bewegung des Transportriemens über die Vakuumkammer eine abdichtende Wirkung zwischen beiden erzielen lässt. Diese Abdichtung kann beispielsweise durch einen zusätzlichen Dichtungsbelag, z. B. aus Teflon, an der Unterseite der Vakuumkammer verbessert werden. In einer Ausführungsform des vorliegenden Moduls lässt sich die Höhe der Vakuumkammer relativ zum Grundkörper bzw. dem Untergrund zusätzlich verstellen, um auf diese Weise den Druck auf den Transportriemen erhöhen oder erniedrigen zu können.
• Durch diese Ausgestaltung mit einem geeignet gewählten Belag, beispielsweise aus geschlossen-porigem Zellgummi oder Zellkautschuk, aus einem Schaummaterial, einem schwammartigen Material oder ähnlichem, auf der Riemenaußenseite lässt sich eine optimale Abdichtung zwischen dem Transportriemen und dem Untergrund zu glatten und rauen Oberflächen erreichen. Dies ermöglicht das Halten und die Fortbewegung des vorliegenden Halte- und Fortbewegungsmoduls sowohl auf glatten und ebenen Flächen, wie beispielsweise einer Glasscheibe, als auch bis zu einem gewissen Maße auf unebenen und rauen Flächen, wie beispielsweise einer Kachelwand, einer Sichtbetonwand, einer Mauerwerkswand oder einer Tapetenwand. Ebenso können kleine Fugen, wie sie beispielsweise bei dem so genannten Structural Glazing auftreten, ohne Probleme und ohne Funktionsverlust überfahren werden. Auch eine leichte Wölbung der Fläche ist zulässig. Durch die Elastizität und Anschmiegsamkeit des Belages wird ein größeres Einsatzspektrum des Moduls erreicht, da Unebenheiten des Untergrundes automatisch ausgeglichen werden, ohne dabei übertragbare Halte- oder Scherkräfte zu verlieren oder die Fortbewegungsfreiheit zu beeinträchtigen.
• Mit dem vorliegenden Halte- und Transportmodul wird ein einziges System zum gleichzeitigen Halten und Fortbewegen bereitgestellt, bei dem bei der Fortbewegung nur minimale Mengen Luft abgesaugt werden müssen. Dies führt zu einem geringen Energiebedarf für einen mobilen Einsatz mit Akkubetrieb ohne externe Medien- und Energiezuführung, wie beispielsweise Druckluft, Vakuum oder Strom.
• Die Vakuumpumpe zum Erzeugen des Unterdrucks in der Vakuumkammer muss beim Aufsetzen des Moduls zunächst die Aussparungen bzw. Durchgangsöffnungen im inneren Riemen sowie im Belag absaugen, die sich zwischen der Vakuumkammer und dem Untergrund befinden. Weiterhin müssen während der Fortbewegung immer wieder die neu hinzugekommenen Volumina und auch eventuell auftretende Fehlluft abgesaugt werden, die zwischen dem Belag und dem Untergrund oder zwischen dem inneren Riemen und der Vakuumkammer eintreten könnte.
• Die Durchgangsöffnungen im Belag können beliebig ausgestaltet werden, beispielsweise auch rechteckig. Sie sind in bestimmten, regelmäßigen Abständen über den gesamten Riemen mit Ausnahme des Randbereiches verteilt. Um während der Raupenbewegung jeweils möglichst kleine neu hinzukommende Volumina absaugen zu müssen, sind diese Durchgangsöffnungen in Querrichtung der Raupe, d. h. quer zur Fortbewegungsrichtung, möglichst schmal ausgestaltet.
• Zum Lösen des vorliegenden Moduls von dem Untergrund weist die Vakuumkammer vorzugsweise ein Entlüftungsventil auf. Alternativ kann die Vakuumpumpe auch für den umgekehrten Betrieb ausgestaltet sein, so dass dann zum Lösen des Moduls vom Untergrund die Vakuumpumpe Luft in die Vakuumkammer pumpt.
• Die Vakuumkammer ist bei dem vorliegenden Modul mit ihrer zum Transportriemen gerichteten Öffnungsfläche derart ausgestaltet, dass sie vorzugsweise über den gesamten Längsabschnitt des Transportriemens anliegt, der bei dem Betrieb des Moduls auf dem Untergrund aufliegt. Auf diese Weise wird eine optimale Haltewirkung erreicht. Bei Fortbewegung der vorliegenden Raupe bzw. des vorliegenden Moduls werden die einzelnen Hohlräume im Belag automatisch beim Verlassen des Längsabschnittes, über den die Vakuumpumpe anliegt, belüftet. Umgekehrt werden die bei der Fortbewegung neu gebildeten Hohlräume automatisch abgesaugt, sobald sie in den Bereich der Vakuumkammer gelangen. Ebenso müssen keine größeren Volumina während der Fortbewegung ausgepumpt werden.
• Der Transportriemen kann neben einer ebenen zur Vakuumkammer gerichteten Oberfläche auch eine Struktur mit einer in Transportrichtung verlaufenden Einschneidung mit beispielsweise senkrechten oder schrägen Seitenwandungen aufweisen, in der die Durchgangsöffnungen ausgebildet sind. Die Unterseite der Vakuumkammer weist eine entsprechend angepasste Oberflächenstruktur auf, die in die Einschneidung eingreift. Auf diese Weise kann eine Abdichtung zwischen den Seitenwandungen der Einschneidung und der gegenüberliegenden Wandbereiche der Vakuumkammer realisiert werden, die auch den Einsatz eines O-Ringes ermöglicht.
• Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, einen Transportriemen einzusetzen, der an den Seitenbereichen seiner zur Vakuumkammer gerichteten Oberfläche einen beispielsweise eingeprägten Zahnkranz aufweist, so dass der Transport über die entsprechend ausgebildeten Umlenkrollen nicht durch Reibschluss sondern durch Formschluss erfolgt.
• In einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Moduls ist zusätzlich zumindest ein Sensor zur Messung des Unterdruckes in der Vakuumkammer, ein so genannter Vakuumwächter, an oder in der Vakuumkammer vorhanden. Dieser Vakuumwächter ist mit einer Steuerung verbunden, die sowohl die Vakuumpumpe als auch den Motor für den Antrieb des Transportriemens steuert. Bei einem starken Anstieg des Drucks in der Vakuumkammer kann diese Steuerung dann die Transportgeschwindigkeit herabsetzen und/oder die Leistung der Vakuumpumpe steigern. Auch die Abgabe eines Warnsignals kann durch diese Steuerung veranlasst werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Das vorliegende Halte- und Fortbewegungsmodul wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
• Fig. 1 in schematischer Darstellungsweise den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform eines Halte- und Fortbewegungsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 eine Unteransicht eines Abschnittes des inneren Transportriemens (ohne Belag);
• Fig. 3 eine Unteransicht eines Abschnitts des Belages des Transportriemens;
• Fig. 4 eine Unteransicht der Vakuumkammer, auf der der Transportriemen gleitet;
• Fig. 5 ein 3D-Modell eines Prototyps des vorliegenden Transport- und Haltemoduls in Seitenansicht; und
• Fig. 6 den Prototyp der Fig. 5 in Unteransicht.
Wege zur Ausführung der Erfindung
• Fig. 1 zeigt eine Prinzipansicht einer Ausführungsform des vorliegenden Halte- und Fortbewegungsmoduls, im Folgenden aufgrund des Antriebsprinzips auch als Raupe bezeichnet. Die bevorzugte Fahrtrichtung ist in der Figur mit dem oberen Pfeil angedeutet. Die Raupe besteht aus dem Raupengrundkörper 1, an dem zwei Riemenscheiben 2 für die Umlenkung bzw. den Antrieb eines Transportriemens 3 gelagert sind. Der Raupengrundkörper 1 weist Aufnahmemittel für Bauteile der Raupe und Bauteile der auszuführenden Applikationen auf. Der Transportriemen 3 wird durch einen Antriebsmotor 4 über einen Antriebsriemen angetrieben. Selbstverständlich sind auch entsprechende Spannvorrichtungen für den Transportriemen 3 und den Antriebsriemen vorgesehen.
• Auf der Unterseite des Raupengrundkörpers 1 ist eine Vakuumkammer 5 angeordnet, die über eine Höhenverstellung 6 gegen die Innenseite des Transportriemens 3 drückt. Die Vakuumkammer 5 ist zum Transportriemen 3 hin, d. h. nach unten, geöffnet, an den äußeren Begrenzungsflächen der Unterseite jedoch gegen den Transportriemen 3 abgedichtet. Diese Abdichtung wird durch geeignete Materialwahl und eine möglichst glatte Oberfläche der Innenseite des Transportriemens 3 erreicht. Zusätzlich kann ein Dichtmaterial, wie beispielsweise Teflon, an den entsprechenden Stellen als Beschichtung aufgebracht sein.
• Die Höhenposition der Vakuumkammer 5 gegenüber dem Raupengrundkörper 1 ist in diesem Beispiel über die Höhenverstellung 6 veränderbar und wird vorzugsweise über eine entsprechende Spannvorrichtung eingestellt. Durch diese Höhenverstellbarkeit wird eine weitere Möglichkeit der Anpassung der Raupe an unterschiedliche Untergrundbedingungen bereitgestellt, um das Eintreten von Fehlluft möglichst zu minimieren. Die Höhenverstellbarkeit ist jedoch nicht in jedem Falle erforderlich.
• Die Vakuumkammer 5 ist mit einer Vakuumpumpe 7 oder einer kombinierten Druckluft-/Vakuumpumpe verbunden. Im Falle einer reinen Vakuumpumpe 7 ist zusätzlich ein Entlüftungsventil 8 zum Entlüften der Vakuumkammer 5 vorgesehen. Der Antrieb 4 sowie die Vakuumpumpe 7 werden über eine Steuerungseinheit 10 gesteuert, die im einfachsten Fall die Vakuumpumpe 7 und den Antriebsmotor 4 bei Bedarf ein- und ausschaltet. Steuerungseinheit 10, Antriebsmotor 4 und Vakuumpumpe 7 werden mit einem Akkumulator 9 als Energieversorgung gespeist. Weiterhin ist auf dem Raupengrundkörper 1 eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 11 zur Kommunikation und Fernsteuerung der Raupe vorgesehen.
• Die vorliegende Ausführungsform der Raupe weist zusätzlich einen Vakuumwächter 12 auf, der das Vakuum bzw. den Unterdruck in der Vakuumkammer 5 überwacht. Dieser Vakuumwächter 12 ist mit der Steuerungseinheit 10 verbunden, so dass die Steuerungseinheit bei einer Abweichung des gemessenen Drucks in der Vakuumkammer 5 von einem Sollwert die Vakuumpumpe 7 und/oder den Antriebsmotor 4 zur Steigerung oder Verringerung der Leistung ansteuern kann.
• Die Raupe kann prinzipiell in beide Richtungen betrieben werden. Die Vorzugsrichtung liegt allerdings aufgrund der Riemenführung und Antriebsanordnung so, dass der Antriebsmotor 4 in Fahrtrichtung gesehen hinten sitzt.
• Der Transportriemen 3 hat in diesem Ausführungsbeispiel einen zweiteiligen Aufbau mit einem inneren Riemen 3a und einem äußeren Moosgummi-Belag 3b.
• Fig. 2 zeigt in einer Unteransicht auf die Raupe der Fig. 1 einen Abschnitt des inneren Riemens 3a ohne den Moosgummi-Belag. In der Figur sind die entlang der Fahrtrichtung (Pfeil) angeordneten Aussparungen bzw. Durchgangsöffnungen 13 im Riemen zu erkennen. Diese weisen im vorliegenden Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt auf und sind in regelmäßigen gegenseitigen Abständen angeordnet.
• Über die Aussparungen 13 im inneren Riemen 3a wird das Vakuum auch in den einzelnen darunter liegenden Kammern 14 des Moosgummi-Belags 3b erzeugt (vgl. Fig. 3). Diese Kammern bzw. Durchgangsöffnungen 14 sollten in der Breite, d. h. quer zur Fortbewegungsrichtung, möglichst schmal sein, um bei der Fahrt jeweils nur ein minimales Volumen vakuumieren bzw. absaugen zu müssen. Die nötige Fläche zum Übertragen der Normal- und Scherkräfte wird über die Länge der Raupe bzw. des auf dem Untergrund aufliegenden Abschnitts des Transportriemens erzeugt. Die hierbei entstehenden Hohlräume müssen dann nur beim Aufsetzen der Raupe einmal gleichzeitig leergepumpt werden muss.
• Die Kreisform der Aussparungen 13 im inneren Riemen gewährleistet, dass dieser Riemen weiterhin höheren Zugbelastungen durch den Riemenantrieb widerstehen kann. Weiterhin kann dieser innere Riemen im Material sowie der Oberflächenstruktur hinsichtlich der Abdichtbarkeit zu den Begrenzungsflächen der Unterseite der Vakuumkammer 5 optimal ausgestaltet werden.
• Die Dicke des Moosgummi-Belages 3b hängt von der Oberflächenstruktur des Untergrundes ab, der befahren werden soll. Insbesondere spielen hier neben der gesamten Oberflächenstruktur das Material, die Oberflächenrauhigkeiten, Vor- und Rücksprünge sowie Vertiefungen eine wichtige Rolle. Fig. 3 zeigt eine Unteransicht des Moosgummi-Belages 3b in einem Ausschnitt, der dem des inneren Riemens 3a der Fig. 2 entspricht. Die Aussparungen 14 im Moosgummi-Belag 3a haben hierbei eine längliche, quer zur Fortbewegungsrichtung verlaufende Form und sind in gleichmäßigen Abständen über die Längsachse des Transportriemens 3 verteilt. Die Materialwahl für diesen Belag 3b kann ohne Einschränkungen auf die Untergrundeigenschaften abgestimmt werden, um gegenüber dem Untergrund bzw. der Oberfläche des Untergrundes eine optimale Abdichtung zu erreichen.
• Fig. 4 zeigt in Unteransicht die Vakuumkammer 5 mit den entsprechenden Öffnungen 5b bzw. Aussparungen. Diese Unterseite der Vakuumkammer 5 drückt auf die Innenseite des Transportriemens 3 bzw. des inneren Riemens 3a und ist mit ihren seitlichen Begrenzungsflächen bzw. ihrem Randbereich 5a gegenüber dem Riemen 3 abgedichtet. Ein oder mehrere Stege 15 ragen in die Öffnung 5b der Vakuumkammer 5, um den Transportriemen 3auf einer definierten Ebene zu halten. Dadurch wird verhindert, dass der Transportriemen 3 durch den Unterdruck in die Vakuumkammer 5 hineingezogen wird. Mindestens eine Bohrung 5c verbindet die Vakuumkammer 5 mit der Vakuumpumpe 7. Mit hohen Strömungsvolumina und damit hohen Strömungsverlusten ist bei dieser Ausgestaltung nicht zu rechnen. Selbstverständlich müssen die ein oder mehreren Öffnungen 5b der Vakuumkammer 5 derart angeordnet sein, dass sie beim Betrieb des vorliegenden Moduls über den Durchgangsöffnungen 13 des inneren Riemens liegen. Ebenso müssen die Aussparungen 14 des Belages 3b mit den Aussparungen 13 des inneren Riemens 3a in Verbindung stehen.
• Die Fig. 5 und 6 zeigen nochmals ein dreidimensionales Modell eines Prototyps einer Ausführungsform der vorliegenden Raupe, wie sie schematisch anhand der vorangehenden Figuren erläutert wurde. Die wesentlichen Bestandteile dieses Prototyps können anhand der Bezugszeichen nochmals nachvollzogen werden. Auf der Oberseite des als Rahmen ausgebildeten Grundkörpers 1 sind hier auch Befestigungsmöglichkeiten 16 für einen Manipulator oder einen sonstigen Aufbau zu erkennen.
• Die Tabellen 1 und 2 zeigen beispielhafte Eckdaten, wie sie mit einem derartigen Prototyp erreicht werden bzw. bei diesem Prototyp realisiert sind. Tabelle 1
  
  Tabelle 2
  
  
• Das vorliegende Halte- und Fortbewegungsmodul, wie es beispielsweise in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert wurde, kann sich in jeglicher Orientierung auf glatten und rauen Oberflächen fest halten und bewegen. Unter jeglicher Orientierung ist hierbei die Bewegung auf horizontalen, vertikalen, schrägen Flächen, über Kopf, nach oben oder unten, nach rechts oder links, schräg nach oben, schräg nach unten usw. zu verstehen. Dabei müssen Normal- und Scherkräfte von der Raupe über den Belag 3b auf die Oberfläche des Untergrundes übertragen werden. Diese Kräfte halten bzw. bewegen nicht nur das Eigengewicht des Moduls, sondern können so groß werden, dass zusätzliche Bauteile für verschiedene Applikationen angebracht werden können. Bei derartigen Applikationen kann es sich um Applikationen im Service-Roboterbereich handeln, z. B. zur Reinigung, Reparatur oder Inspektion von Bauteilen, beispielsweise an Bauwerken, Schiffsrümpfen und Schiffswänden oder an anderen großen technischen Geräten sowie an Bauteilen, wie sie beispielhaft bereits im einleitenden Teil der Beschreibung dargestellt wurden.
• Das vorliegende Halte- und Fortbewegungsmodul ermöglicht das Halten und die Fortbewegung in einem einzigen System. Bei der Fortbewegung ist nur ein minimaler Vakuumierungsaufwand und somit ein minimaler Energiebedarf erforderlich. Unebenheiten, wie Falze, Knicke, Löcher, Fugen usw. auf dem Untergrund, die sonst zu einem Versagen des Halte- und Fortbewegungssystems geführt hätten, werden durch die vorliegende Ausgestaltung automatisch ausgeglichen. Die Dichtung zwischen der Oberfläche des Untergrundes und der Raupe kann optimal auf Dichtigkeit, insbesondere auch bei rauen und unbekannten bzw. nicht beeinflussbaren Oberflächen ohne Relativbewegung zueinander ausgelegt werden, während die Dichtung zwischen Vakuumkammer und Riemen in der Raupe optimal auf Dichtigkeit zwischen zwei definierten, glatten und selbst bestimmbaren Flächen mit einer Relativbewegung zueinander ausgelegt werden kann. Das vorliegende System benötigt für seine Funktion keine Sensorik zum Überwachen der einzelnen Hohlräume, um beispielsweise Unterdruck zu messen und eventuell Fehlluft zu ermitteln. Das Modul weist eine sehr einfache Kinematik auf und erfordert daher nur einen sehr geringen Steuerungsaufwand. Es ist keine Aktorik zum Ein- und Ausschalten der einzelnen Hohlräume notwendig. Halte- und Bewegungssystem werden zentral eingeschaltet und nur diejenigen abgesaugten Hohlräume erzeugen Orthogonalkräfte, die keine Fehlluft ziehen. Aufgrund der Vielzahl von Hohlräumen führt der Ausfall einzelner Hohlräume nicht zu einer Funktionsstörung.
• Das Modul hat einen einfachen und robusten Aufbau, ein geringes Gewicht und einen geringen Energiebedarf im Vergleich zu anderen Lösungen mit vergleichbarem Leistungsumfang bezüglich der Fortbewegungsgeschwindigkeit und der Tragkraft. Gerade für Reinigungsaufbauten ist die Eigenschaft des vorliegenden Moduls, eine kontinuierliche Fortbewegung ohne ein zweites Modul realisieren zu können, sehr wichtig.
• Das vorliegende Halte- und Fortbewegungsmodul hat ein breites Anwendungsfeld, insbesondere im weiten Bereich der Robotik, bei Service-Robotern, Kletterrobotern usw. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Raupengrundkörper
  2 Rollenelemente bzw. Riemenscheiben
  3 Transportriemen
  3a Innerer Riemen
  3b Äußerer Belag
  4 Antriebsmotor
  5 Vakuumkammer
  5a Randbereich der Vakuumkammer
  5b Öffnung der Vakuumkammer
  5c Bohrung für Luftabsaugung bzw. Belüftung
  6 Höhenverstellung
  7 Vakuumpumpe bzw. Druckluft-/Vakuumpumpe
  8 Entlüftungsventil
  9 Akku
  10 Steuerungseinheit
  11 Mensch-Maschinen-Schnittstelle
  12 Vakuumwächter
  13 Durchgangsöffnungen bzw. Aussparungen im inneren Riemen
  14 Durchgangsöffnungen bzw. Aussparungen im äußeren Belag
  15 Steg
  16 Befestigungsmittel
  

Claims (17)

1. Halte- und Fortbewegungsmodul für einen Kletterroboter, das einen Grundkörper (1), Mittel zur Haftung an einem Untergrund und zumindest einen über am Grundkörper (1) gelagerte Rollenelemente (2) umlaufenden Transportriemen (3) aufweist, der durch einen Motor (4) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Transportriemen (3) mit einer Vielzahl von freien Durchgangsöffnungen (13, 14) durchsetzt ist, und die Mittel zur Haftung am Untergrund durch eine mit einer Vakuumpumpe (7) verbundene und zum Transportriemen (3) hin geöffnete Vakuumkammer (5) gebildet werden, an der der Transportriemen (3) über einen Längsabschnitt mit seiner nach innen gerichteten Hauptfläche derart gleitend anliegt, dass bei Einsatz des Moduls auf einem Untergrund die durch die Durchgangsöffnungen (13, 14) in Verbindung mit dem Untergrund in dem Längsabschnitt gebildeten Hohlräume über die Vakuumkammer (5) abgesaugt werden können.

2. Halte- und Fortbewegungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Transportriemen (3) aus einem inneren Riemen (3a) mit ersten Durchgangsöffnungen (13) und einem äußeren Belag (3b) mit zweiten Durchgangsöffnungen (14) zusammensetzt, wobei der Belag (3b) aus einem elastischen, geschlossenporigen Material gebildet ist, das sich an Unebenheiten des Untergrundes anschmiegt.

3. Halte- und Fortbewegungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Riemen (3a) aus einem Material gebildet ist, das auf den Transportriemen (3) einwirkende Zugkräfte aufnimmt und eine gute Abdichtung gegenüber der Vakuumkammer (5) ermöglicht.

4. Halte- und Fortbewegungsmodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Belag (3b) aus einem Material gebildet ist, das eine gute Abdichtung gegenüber einem rauen Untergrund ermöglicht.

5. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Belag (3b) eine Dicke zwischen ca. 2 und 10 mm aufweist.

6. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Durchgangsöffnungen (13) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

7. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Durchgangsöffnungen (14) einen länglichen Querschnitt mit einer Längserstreckung quer zur Fortbewegungsrichtung aufweisen.

8. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vakuumkammer (5) und dem Transportriemen (3) eine zusätzliche Dichtung vorgesehen ist.

9. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (13, 14) in regelmäßigen Abständen über den Transportriemen (3) verteilt sind, wobei Randbereiche des Transportriemens (3) für die Abdichtung zur Vakuumkammer (5) frei von Durchgangsöffnungen (13, 14) bleiben.

10. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsabschnitt, über den der Transportriemen (3) an der Vakuumkammer (5) anliegt, im Wesentlichen dem gesamten Abschnitt entspricht, über den der Transportriemen (3) beim Einsatz des Moduls mit dem Untergrund in Kontakt tritt.

11. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper (1) eine Einrichtung (6) zur Veränderung der Höhenposition der Vakuumkammer (5) relativ zum Grundkörper (1) vorgesehen ist.

12. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Öffnungen (5b) der Vakuumkammer (5) zum Transportriemen (3) hin von einem oder mehreren Stegen (15) durchsetzt sind, um ein Einsaugen des Transportriemens (3) in die Vakuumkammer (5) zu verhindern.

13. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (5) ein Entlüftungsventil (8) aufweist.

14. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Vakuumsensor (12) zur Überwachung eines Unterdrucks in der Vakuumkammer (5) angeordnet ist.

15. Halte- und Fortbewegungsmodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (10) zur Ansteuerung des Motors (4) und der Vakuumpumpe (7) mit dem Vakuumsensor (12) verbunden ist, um den Motor (4) und/oder die Vakuumpumpe (7) in Abhängigkeit von Messdaten des Vakuumsensors (12) anzusteuern.

16. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine wiederaufladbare Batterie (9) zur Energieversorgung des Motors (4) und der Vakuumpumpe (7) am Grundkörper (1) befestigt ist.

17. Halte- und Fortbewegungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle (11) zur Kommunikation mit einer übergeordneten Steuereinheit eingerichtet ist.