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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tank, insbesondere Ballastwassertank, sowie einen ferngesteuerten oder autonom mobilen, schienengeführten Roboter, ein System und ein Verfahren zur automatisierten Inspektion und/oder Wartung und/oder Konservierung eines schwer zugänglichen und komplex aufgebauten Tanks, wie zum Beispiel Ballastwassertanks in Schiffen, von innen.
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Beispielsweise Ballastwassertanks in Schiffen stellen schwer zugängliche und komplex aufgebaute Tanks dar. Sie dienen zur Sicherung der Schiffsstabilität und enthalten Wasser als Schiffsballast. Aus Stabilitätsgründen wird Ballastwasser bevorzugt in Doppelboden-Ballastwassertanks gefahren. Abhängig von Schiffstyp und Ladung werden auch Hochtanks in den Schiffsseiten und an Schotten benutzt. Das Wasser wird in der Regel in Häfen, in denen die Beladung erfolgt, in Abhängigkeit vom Beladungszustand in die Ballastwassertanks gepumpt. Im Bestimmungshafen, in dem Ladung umgeschlagen wird, kann eine Veränderung der Stabilität des Schiffes durch Veränderung in der Beladung eintreten, wodurch ein Entleeren und/oder Füllen von Ballasttanks notwendig wird.
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Alle Schiffe in ihrer operationellen Phase sind laut internationaler Regularien der Überprüfung statuierender sowie klassifikationsspezifischer Anforderungen unterworfen. Klassifikationsgesellschaften führen diese Aufgabe als Beliehene der Flag-Staaten aus. In Bezug auf Ballastwassertanks gibt es eine Vielzahl vorgeschriebener Inspektionsvorgänge:
- – Jährliche Überprüfung beginnend mit der Anerkennung der Zugehörigkeit zur Klasse oder dem Auslaufen der vorhergehenden Klassifizierung,
- – Zwischenüberprüfung 2,5 Jahre vor Ablauf des Klassifikationszertifikats,
- – Erneuerungsüberprüfung mit 5-Jahres-Intervall in Abhängigkeit vom Ablauftermin des Klassifikationszertifikats.
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Neben den vorangehend genannten Überprüfungen durch die Klassifikationsgesellschaften sind auch die Schiffsbesitzer/Reedereien verpflichtet, ihren Sicherheitsbestimmungen entsprechend in bestimmten Abständen oder nach einem besonderen Vorkommnis den Zustand der Ballastwassertanks zu überprüfen, wobei im Falle von Werftneubauten eine einmalige Überprüfung zur Qualitätskontrolle üblich ist.
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Der Inspektionsvorgang ist personalintensiv, da vor jeder offiziellen Inspektion beispielsweise durch Vertreter der Klassifikationsgesellschaften die Ballastwassertanks durch eine Vielzahl von Arbeitern mit Zugangshilfen, wie zum Beispiel Trittbrettern, Leitern etc., versehen und gereinigt werden müssen. Sowohl die Vorbereitungen als auch die Inspektion selber erfolgen größtenteils unter extrem beengten und schwer zugänglichen Verhältnissen. Dies gilt um so mehr im Falle der obengenannten Doppelboden-Ballastwassertanks. Für die Inspektion von Stellen, an die ein normal geschulter Inspektor nicht gelangen kann, sind teilweise teure Kletterspezialisten extra zu beauftragen. Allein die Menge der Ballastwassertanks und der jeweiligen Unterabschnitten führt zu langwierigen und kostenintensiven Werftliegezeiten.
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Im Falle der Untersuchungen aller Abschnitte bei einem Schiffsneubau ist der Inspektionsvorgang noch aufwendiger, da sämtliche Schweißnähte und Beschichtungen mittels Handspiegel manuell überprüft werden müssen.
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Wie die obigen Ausführungen zeigen, erfolgt die Inspektion von Ballastwassertanks derzeit manuell, nicht automatisiert. Hauptmerkmale der derzeitigen Inspektion sind die Augenscheinnahme durch Experten sowie stichprobenartige Messungen, wie zum Beispiel Salzgehalt, Schichtdicken etc., und Dokumentation der Augenscheinnahme durch Fotos sowie der Messungen in Papierform und/oder elektronisch.
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Es sind experimentelle robotische Lösungen zur Inspektion von Öl- bzw. Lagertanks oder Schiffsrümpfen bekannt. Den Lösungen ist gemein, dass ihr Adhäsionskonzept auf Magnetismus beruht, was im Falle von Ballastwassertanks ausscheidet, da hier vorhandene Sedimentrückstände ein sicheres Anhaften verhindern und die Nutzlast entsprechend begrenzen. Der vereinzelte Einsatz von Elektromagnetismus bringt darüber hinaus einen hohen Stromverbrauch mit sich, der wiederum nur durch eine Kabel gebundene Stromversorgung gewährleistet werden kann, was im Falle von Ballastwassertanks aufgrund der verwinkelten engen Verhältnisse nicht in Frage kommt.
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Andere Lösungen zur visuellen Inspektion sind aufgrund ihrer Größe nur an der Außenseite der Ballastwassertanks am Schiffsrumpf einsetzbar.
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Weiterhin sind Roboter bekannt, die aktive oder passive Pneumatikvorrichtungen zur Lokomotion nutzen. Diese kommen aber ebenfalls aufgrund des hohen Energieverbrauchs und der möglichen Sedimentrückstände für beispielsweise Ballastwassertanks nicht in Frage.
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In „Development and Application of a novel rail runner mechanism for double hall structures of ships", Donghun Lee, Sungcheul Lee, NamkuKq, Chaemook Lim, Kyu-Yeul Lee, Taewan Kim, 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation (2008), Mai, Seiten 3985–3991, ist ein Roboter zur Schweißarbeit in Doppelboden-Ballastwassertanks beschrieben. Allerdings kann der Roboter aufgrund seiner Größe und der Festlegung auf bestimmte Abstände in den zur Lokomotion genutzten Bodenversteifungen nur während der Fertigungsphase in sauberen Umgebungen eingesetzt werden. Der Einsatz zur Inspektion schwer zugänglicher Stellen, beispielsweise über Kopf, in der operationellen Phase eines Schiffes scheidet hier aus.
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Wie sich aus den vorangehenden Schilderungen ergibt, ist der Inspektionsvorgang bisher gefährlich, langwierig und aufwendig/personalintensiv und durch den Einsatz menschlicher Experten naturgemäß teilweise subjektiv verfälscht und fehlerbehaftet. Darüberhinaus stehen solche Experten nur begrenzt zur Verfügung. Dasselbe gilt im Prinzip auch für die Wartung und Konservierung von schwer zugänglichen und komplex aufgebauten Tanks.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine automatisierte Inspektion und/oder Wartung und/oder Konservierung schwer zugänglicher und komplex aufgebauter Tanks, wie zum Beispiel Ballastwassertanks in Schiffen, von innen zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch einen Tank, insbesondere Ballastwassertank, umfassend eine sich durch selbigen erstreckende, vorzugsweise korrosionsfreie und/oder meerwasserbeständige und/oder Sedimentrückstände abweisende, Schiene, vorzugsweise eine Einschiene, für den Einsatz eines schienengeführten Roboters in selbigem zur automatisierten Inspektion und/oder Wartung und/oder Konservierung desselben von innen.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch einen ferngesteuerten oder autonom mobilen, schienengeführten Roboter zur automatisierten Inspektion und/oder Wartung und/oder Konservierung eines Tanks, insbesondere eines Ballastwassertanks, insbesondere nach Anspruch 1, von innen, umfassend mindestens zwei hintereinander angeordnete, gelenkig miteinander verbundene Module sowie ein, vorzugsweise von den Modulen gebildetes oder darin enthaltenes, Fahrwerk zum Umgreifen einer Schiene, vorzugsweise einer Einschiene, derart, dass das rotatorische Zentrum des Roboters im Bauraum der Schiene liegt.
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Darüber hinaus wird diese Aufgabe durch ein System zur automatisierten Inspektion und/oder Wartung und/oder Konservierung eines schwer zugänglichen und komplex aufgebauten Tanks, wie zum Beispiel Ballastwassertanks in Schiffen, von innen, umfassend einen Roboter nach einem der Ansprüche 2 bis 10 sowie eine sich durch einen Tank erstreckende, vorzugsweise korrosionsfreie und/oder meerwasserbeständige und/oder Selimentrückstände abweisende, Schiene, vorzugsweise eine Einschiene, zum schienengeführten Verfahren des Roboters durch den Tank.
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Schließlich wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur automatisierten Inspektion und/oder Wartung und/oder Konservierung eines Tanks nach Anspruch 1, von innen, umfassend: Setzen eines Roboters nach einem der Ansprüche 2 bis 10 auf die Schiene in dem Tank, ferngesteuertes oder autonomes Verfahren des Roboters entlang der Schiene zu mindestens einem vorab festgelegten Punkt und teilweise oder vollständige Durchführung der Inspektion und/oder Wartung und/oder Konservierung
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Der Masseschwerpunkt des Roboters liegt vorteilhafterweise im oder nahe zum rotatorischen Zentrum.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Roboter ein Antriebsmodul, ein Recheneinheitsmodul und ein Sensormodul.
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Weiterhin umfasst der Roboter günstigerweise zusätzlich ein Manipulatormodul.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die benachbarten Module über Gelenkstangen und über jeweilige Kugelgelenke miteinander verbunden.
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Zweckmäßigerweise sind benachbarte Module über genau zwei oder genau drei Gelenkstangen verbunden.
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Vorteilhafterweise ist das Fahrwerk gestaltet, um die Schiene formschlüssig zu umschließen.
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Günstigerweise weist der Roboter mindestens ein Antriebsrad auf, das mittels einer Schwinge, vorzugsweise einzeln, aufgehängt ist.
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Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Schwinge doppelt aufgehängt und doppelt gefedert ist.
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In einer besonderen Ausführungsform des Systems weist die Schiene einen dreidimensionalen Verlauf auf.
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Zweckmäßigerweise ist die Schiene so angeordnet, dass der Roboter entlang derselben verfahrbar ist, ohne die Innenwand des Tanks zu berühren.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung einer Schiene einem Roboter die angebotene Umgebung auf ein definiertes Maß vereinfacht wird und somit eine automatisierte, in besonderen Ausführungsformen sogar autonome Aktion des Roboters ermöglicht wird. Mit anderen Worten ergibt sich dies aus einer Kombination von einer präzise beschreib- und modellierbaren Schiene und einer darauf abgestimmten Robotermorphologie. Die Robotermorphologie ist auf die Besonderheiten der Schienengeometrie abgestimmt, welche von den räumlichen Gegebenheiten beispielsweise in einem Ballastwassertank vorgegeben wird. Durch die vorliegende Erfindung wird eine bisher personalintensive, für Menschen geführliche und langwierige Inspektion etc. automatisiert. Dies bedeutet eine Verkürzung der extrem teuren Werftliegezeiten, die Einsparung von einfach ausgebildeten Arbeitern bei der Vorbereitung und von Spezialisten beim eigentlichen Inspektionsvorgang. Eine objektivierte Datenerfassung vermeidet menschliche Fehler oder subjektive Verzerrungen und trägt so zu einer Qualitätssteigerung der erfassten Daten bei. Im Falle der Inspektion zum Beispiel nach einem Beschichtungsvorgang innerhalb einer Schiffswerft können so teure Mängelverfahren vermieden werden. Eine durch Kostenreduktion mögliche höhere Frequenz der Inspektionen ermöglicht gegebenenfalls die Einstufung des Schiffes in eine höherwertige Klasse, was wiederum eine nicht unerhebliche Einsparung von Versicherungsprämien bedeuten kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht von einem Roboter gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung schräg von oben;
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2 einen Teil des mehrteiligen Fahrwerks nebst Antrieb des Roboters von 1 in perspektivischer Ansicht von schräg oben in einer Kurvenfahrt;
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3 eine Einzeldarstellung des Antriebs des Fahrwerks von 2;
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4 eine Einzeldarstellung eines Teils des Fahrwerks von 2;
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5 eine Seitenansicht von einem Antriebs- bzw. Führungsrad;
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6 eine perspektivische Ansicht von dem Antriebs- bzw. Führungsrad von 5;
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7 eine perspektivische Ansicht von einem Nodalpunktadapter mit einer Kamera;
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8 eine perspektivische Ansicht von einer Schiene bzw. einem Schienenabschnitt sowie einer angedeuteten Wandhalterung für besagte Schiene bzw. besagten Schienenabschnitt; und
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9 eine perspektivische Ansicht von einem beispielhaften Verlauf einer Schiene in einem beispielhaften Ballastwassertank.
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Der in 1 dargestellte ferngesteuerte oder autonom mobile, schienengeführte Roboter 10 umfasst ein Antriebsmodul 12 mit einem Antrieb 14, einer Antriebssteuerung 16 und einer Batterie 18, ein Sensormodul 36 mit einem Lagesensor 20 sowie ein Recheneinheitsmodul 22 mit einer zentralen Steuerplatine 24 mit Spannungswandler. Die drei vorgenannten Module bilden gemeinsam eine Art Minimalkonfiguration. Die Minimalkonfiguration könnte aber auch nur zwei Module aufweisen. Besagtes Antriebsmodul 12, besagtes Sensormodul 36 und besagtes Recheneinheitsmodul 22 weisen jeweils eine vertikale Modulbasis 26 auf, die durch zu beiden Seiten der Längserstreckung einer Schiene 28 bzw. zur Verfahrrichtung angeordnete, sich im wesentlichen parallel zur Längserstreckung der Schiene 28 erstreckende Gelenkstangen 30 und Kugelgelenke 32 gelenkig miteinander verbunden sind.
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Des Weiteren weist der Roboter 10 benachbart zum Recheneinheitsmodul 22 ein Manipulatormodul 34 auf, das ebenfalls eine vertikale Modulbasis 26 aufweist, die über Gelenkstangen 30 sowie Kugelgelenke 32 mit dem Recheneinheitsmodul 22 gelenkig verbunden ist. Das Manipulatormodul 34 weist ein modulares Manipulatorsystem 35 mit einer Messspitze 37 zur Schichtdickenmessung auf.
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Auf dem Sensormodul 36 ist zudem eine Kamera 38 mit einem Nodalpunktadapter 40 als Teil einer Schwenk-Neige-Einheit 42 vorgesehen.
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2 zeigt einen Teil, nämlich von der Minimalkonfiguration eines Fahrwerks 44 nebst Antrieb 14 von 1. Im vorliegenden Fall wird das Fahrwerk 44 von Teilen der Module 12, 36 und 22, nämlich den Modulbasen 26 gebildet bzw. sind besagte Teile entsprechend ausgebildet bzw. ergänzt. Allgemein kann das Fahrwerk in den Modulen integriert sein oder zusätzlich vorhanden sein. In Abweichung zur 1 weist die Minimalkonfiguration in dem links dargestellten Modul insgesamt drei statt zwei Gelenkstangen 30 auf (von denen aber nur zwei zu sehen sind). Wie sich aus den 2 und 3 ergibt, weist der Roboter 10 lediglich ein Antriebsrad 46 auf. Zudem ergibt sich daraus, dass das Fahrwerk 46 gestaltet ist, um die Schiene 28 formschlüssig zu umschließen. Dazu weist jede der in 2 dargestellten drei vertikalen Modulbasen 26 (siehe auch 4) an beiden Schmalseiten der im Querschnitt rechteckigen Schiene 28 jeweils eine Führungsrolle 48 und zur Führung einer jeweiligen Breitseite der Schiene 28 im Randbereich jeweils zwei Führungsrollen 50 und 52 und zum Führen der gegenüberliegenden, in 2 oberen Breitseite der Schiene 28 jeweils eine mittig angeordnete Führungsrolle 54 mit Ausnahme der mittleren Modulbasis 26, an der der Antrieb 14 vorgesehen ist, auf. Sowohl die Führungsrollen 54 als auch das Antriebsrad 46 sind, wie sich aus der Zusammenschau der 2 bis 6 ergibt, mittels einer Schwinge 56 aufgehängt, wobei die Schwinge 56 doppelt aufgehängt und doppelt gefedert ist. Die beiden Federn 58 und 60 sind zumindest der 4 zu entnehmen, in der die Führungsrolle 54 gezeigt ist, es sich aber auch um das Antriebsrad 46 handeln könnte. Die Schwingenarme 62 und 64 sind insbesondere den 5 und 6 zu entnehmen.
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Die Kraftübertragung vom Antriebsmotor bzw. Antrieb 14 zum Antriebsrad 46 ist starr. Die gesamte Einheit aus Antriebsmotor und Antriebsrad ist schwingfähig.
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7 zeigt die Kamera 38 auf einem Nodalpunktadapter 40. Letzterer ermöglicht es, Panoramabilder vom Inneren bzw. von der Innenwand bzw. Abschnitten derselben eines beispielsweise Ballastwassertanks anzufertigen.
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In 8 ist ein denkbarer dreidimensionaler Verlauf der Schiene 28 bzw. eines Abschnittes derselben in einem Ballastwassertank dargestellt. Die Schiene 28 kann mittels einer oder mehrere Wandhalterung/Wanderhalterungen 66 im Inneren des Ballastwassertanks befestigt sein. Da der Roboter 10 die Schiene 28 umschließt und mittels der Schwingen 56 bzw. der Schwingenkonstruktion an die Schiene 28 gepresst wird, kann sich die Schiene 28 im Innenraum des Ballastwassertanks verdrehen, krümmen und biegen, um alle relevanten Bereiche zu erschließen.
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Schließlich zeigt 9 eine mögliche Konfiguration einer Schiene 28 innerhalb eines Ballastwassertanks 68 (Außenwände weggelassen).
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann der Roboter 10 auf die zuvor im Ballastwassertank 68 installierte korrosionsfreie und leicht einzubauende Schiene 28 (beim Neubau oder nachträglich installiert, thermisch verformbar) von einem Arbeiter gesetzt werden. Danach kann der Arbeiter per Knopfdruck den Ablauf, das heißt die automatisierte Inspektion und/oder Wartung und/oder Konservierung starten. Alternativ kann der Roboter 10 beispielsweise mittels Joypad/Joystick-Steuerung und Videofeedback über WLAN ferngesteuert werden. Im automatischen Betrieb fahrt der Roboter 10 vorher definierte Positionen auf der Schiene 28 an und führt dort selbständig die Inspektionsaufgaben etc. aus und speichert die Daten lokal.
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Das Material der Schiene 28 sowie die Konstruktion des Roboters 10 mit einer virtuellen Drehachse in der Mitte der Schiene 28 erlauben freie 3D-Trajektoren im Raum. Der Roboter kennt aufgrund eines probalistischen Schätzers, zum Beispiel eines Kalman- oder Partikelfilters zur Schätzung der Position der Schiene 28 aus verrauschten Sensordaten, in Kombination mit einer Lagesensorik und bekanntem Schienenverlauf seine Position auch bei auftretendem Schlupf und hält an zuvor von Inspektionsexperten einmalig festgelegten Schienenpositionen bzw. -punkten. An einem solchen Inspektionspunkt führt der Roboter 10 mittels einer im Nodalpunkt schwenk- und neigbaren Kamera 38 Aufnahmen durch, die aufgrund des besonderen Drehpunkts im Nodalpunkt ohne Parallaxenfehler auf dem Roboter 10 zu einem Panorama zusammengesetzt werden, die zusammen mit weiteren Messungen, zum Beispiel der Schichtdicke, am Ende des Inspektionsvorganges etc. drahtgebunden oder drahtlos (Ethernet, WLAN) abgerufen werden können.
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Der modulare Aufbau des Roboters 10 erlaubt das unkomplizierte Erweitern und Kombinieren von Sensornutzlasten nach Inspektionsaufgabe und -umfang, sowie das Verbringen einzelner Sensoren an von der Schiene 28 entfernte Punkte mittels eines Manipulators. In Ballastswassertanks übliche Sedimentrückstände auf der Schiene 28 können durch die spezielle Schwingenkonstruktions überwunden werden. Bei Auftreten von unüberwindlichen Hindernissen wird dies durch Motorstrommonitoring detektiert und der Inspektionsvorgang etc. abgebrochen und die Rückfahrt zum Ausgangspunkt eingeleitet.
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Die Gestaltung der Schiene 28 ist vorzugsweise so, dass sich keine Sedimentrückstände auf ihr absetzen können. Die Morphologie des Roboters 10 hat vorzugsweise Drehachsen innerhalb des Bauraums der Schiene 28, wodurch der sich verformende Roboter 10 in beengten Räumen näher an der Schiene 28 bleiben kann. Der Roboter 10 ist lageunabhängig und kann daher in jeglicher räumlicher Ausrichtung (zum Beispiel überkopf) agieren. Um die aus einer beliebigen Roboterorientierung, der Nutzlast, einer Kamera oder einem Manipulator entstehenden Kräfte und Momente abzufangen, umschließt der Roboter die Schiene 10 vorzugsweise formschlüssig. Das System aus Roboter und Schiene besteht vorzugsweise aus nicht korrosiven Materialien und ist in der Lage, bei teilgeflutetem Tank zu operieren. Die Gestalt der Schienengeometrie ist auf eine einfache Fertigung aus genormten Halbzeugen und eine Vorortmontage abgestimmt. Die verwendeten Materialien sind resistent gegen Meerwasser und erzeugen keinen korrosiven Abrieb.
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Auch wenn zukünftig neue Schifffahrtsbestimmungen die Filterung des Wassers eines Ballastwassertanks vorschreiben werden und so Sedimentrückstände nur noch in unerheblichem Umfang auftreten werden, kann bis dahin bei starker Sedimentierung ein einfaches Räumschild/Gummilippe optional am in Fahrrichtung vordersten Modul eingesetzt werden.
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Zum Operieren bei teilgeflutetem Tank können eine Kombination aus Motor und Getriebe sowie eine Einheit aus Batterie und Rechner einzeln abgedichtet werden. Der Anpressdruck des Antriebsrades 46 auf die Schiene 28 verdrängt schlupfermöglichendes Wasser. Die restlichen Teile können ohne operationelle Einschränkungen direkt dem Wasser ausgesetzt werden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Roboter
- 12
- Antriebsmodul
- 14
- Antrieb
- 16
- Antriebssteuerung
- 18
- Batterie
- 20
- Lagesensor
- 22
- Recheneinheitsmodul
- 24
- Steuerplatine
- 26
- Modulbasen
- 28
- Schiene
- 30
- Gelenkstangen
- 32
- Kugelgelenke
- 34
- Manipulatormodul
- 35
- modulares Manipulatorsystem
- 36
- Sensormodul
- 37
- Messspitze
- 38
- Kamera
- 40
- Nodalpunktadapter
- 42
- Schwenk-Neige-Einheit
- 44
- Fahrwerk
- 46
- Antriebsrad
- 48
- Führungsrolle
- 50, 52
- Führungsrollen
- 54
- Führungsrolle
- 56
- Schwinge
- 58, 60
- Federn
- 62, 64
- Schwingenarme
- 66
- Wandhalterung
- 68
- Ballastwassertank
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Development and Application of a novel rail runner mechanism for double hall structures of ships”, Donghun Lee, Sungcheul Lee, NamkuKq, Chaemook Lim, Kyu-Yeul Lee, Taewan Kim, 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation (2008), Mai, Seiten 3985–3991 [0011]
