DE102021208232A1

DE102021208232A1 - Miniaturroboter zum Bewegen durch ein Rohr und System mit einem solchen

Info

Publication number: DE102021208232A1
Application number: DE102021208232.7A
Authority: DE
Inventors: Christof Megnin; Daniel Schillinger
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2021-07-29
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Ein Miniaturroboter zum Bewegen durch ein Rohr mit einem lichten Maß von maximal 100 mm weist eine Antriebseinrichtung, die ausgelegt ist, um den Miniaturroboter entlang der Innenwand des Rohrs zu bewegen. Die Antriebseinrichtung weist entweder einen Kettenantrieb, der ein Motormodul und ein Kettenfahrwerkmodul mit einem Kettenfahrwerk aufweist, die über eine flexible Verbindung verbunden sind, oder einen Inchworm-Antrieb auf. Ein System weist einen solchen Miniaturroboter und einen Prozessor, der ausgelegt ist, um Sensordaten von dem Miniaturroboter zu empfangen, und um unter Verwendung der Sensordaten die Position des Miniaturroboters zu ermitteln, auf. Eine Anzeigeeinheit, die ausgelegt ist, um die ermittelte Position des Miniaturroboters anzuzeigen, kann vorgesehen sein.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Miniaturroboter zum Bewegen durch ein Rohr mit einem geringen lichten Maß, beispielsweise ein Leerrohr für elektrische Leitungen oder ein Wasserrohr. Beispiele beziehen sich auf einen solchen Miniaturroboter zum Einziehen eines Zugmittels, wie z.B. einer Zugschnur, in ein Leerrohr, oder einen solchen Miniaturroboter zum Inspizieren eines Leerrohrs oder eines Wasserrohrs. Beispiele der Erfindung beziehen sich ferner auf Systeme zum Ermitteln der Position eines solchen Miniaturroboters in einem Rohr.
Hintergrund
Aktuell werden insbesondere Einzugspiralen benutzt, um Kabel in Leerrohre einzuziehen. Einzugspiralen haben jedoch Probleme, wenn das Leerrohr zu stark gebogen ist. Einzugspiralen werden händisch bis zum Austritt durch das Leerrohr geschoben, woraufhin ein Zugdraht an der Spirale befestigt und in das Leerrohr eingezogen wird. Durch den Zugdraht lassen sich nun Kabel zur Elektrifizierung verlegen. Statt mit dem Zugdraht kann das Kabel auch direkt mit der Spirale verbunden werden. Die Verwendung der Spirale ist nur bei großen Kurvenradien zu empfehlen. Bei kleinen Radien in Kombination mit großen Rohrlängen kommt es häufig zum Verkanten der Spirale. Laut Auskunft von Elektrikern sind sie mitunter bis zu zwei Stunden beschäftigt, um eine Spirale in ein Leerrohr mit ungünstigem Rohrverlauf einzuziehen. Trotz dieses hohen Kostenfaktors und des mitunter unkalkulierbaren Zeitaufwandes ist die Spirale aktuell das meist verwendete Verfahren. Es gibt auch Einzugspiralen mit Sender, um Störstellen zu orten. Hierbei ist es jedoch notwendig, den gesamten, von der Einzugspirale zurückgelegten Weg mit einem Handsuchgerät zu verfolgen. Dies ist sehr zeitaufwändig, da ein Leerrohr mitunter durch mehrere Wohnungen verläuft.
Ein alternatives Verfahren besteht darin, einen Zugdraht mittels Unterdruck einzuführen. Hier wird ein Ende des Leerrohrs mit einem Elastomer-Pfropfen luftdicht verschlossen. An dem Pfropfen befindet sich eine Zugschnur. Durch Anlegen eines Unterdruckes wird der Pfropfen samt Zugschnur durch das Leerrohr gezogen. Nachteilig sind hier Beschädigungen der Leerrohre, die bei Baumaßnahmen häufig entstehen. Diese Beschädigungen führen zu Leckagen beim Aufbau des Unterdrucks und somit zur Nichtfunktionalität dieses Konzeptes. Diese Art des Kabeleinziehens wird daher kaum genutzt.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Roboter bzw. Schlaggeräte bekannt, um Kabel oder ähnliche Langkörper durch vorhandene Leitungen oder Kanäle einzuziehen.
So offenbart die DE 101 33 484 A1 ein selbstgetriebenes Schlaggerät zum Bewegen durch vorhandene Leitungen oder Kanäle, das Reibelemente aufweist, die mit der Wandung der Leitung oder des Kanals in Kontakt stehen. Die Reibelemente sind als Rollen oder Kufen ausgestaltet und können zum gemeinsamen Antrieb kettenartig miteinander verbunden sein. Rollen sind auf beiden Seiten des Schlaggeräts vorgesehen und über Federn gegen die Leitungswand/Kanalwand vorgespannt. Eine Sonde und/oder eine Kamera können in dem Schlaggerät vorgesehen sein.
Ferner wurden bereits Miniaturroboter vorgeschlagen, bei denen eine Antriebseinheit und eine Motoreinheit getrennt voneinander vorgesehen sind und über eine flexible Welle miteinander verbunden sind. Diesbezüglich wird beispielsweise auf den Artikel „Miniaturroboter für die Rohranalyse“ von Christof Megnin u.a., [C. Megnin, D. Schillinger, K. Lappe, C. Grandauer, K. Hoffmann, A.-K. Leiting, J. Mahler, Y. Manoli und T. Hanemann „Miniaturroboter für die Rohranalyse“ Mikro-System-Technik Kongress 2017, München], verwiesen. Die Antriebseinheit weist zwei Antriebsräder auf, die mittels eines Federvorspannelements gegen die Innenwand des Rohrs gedrückt werden. Ferner wurde der Roboter, dessen eigentliche Funktion darin besteht, Zugdrähte in ein Leerrohr einzuziehen, um funktionelle Einheiten, wie z.B. eine Kameraeinheit für eine optische Analyse und verschiedene Sensoren zur Positionsbestimmung, ergänzt.
Überblick
Bekannte Schlaggeräte bzw. Miniaturroboter zum Einziehen von Zugmitteln in Rohre verwenden somit Räder bzw. Rollen, um den Miniaturroboter in dem Rohr zu bewegen. Die Erfinder haben erkannt, dass Räder bzw. Rollen bei Unebenheiten in dem Rohr problematisch sein können, da sich das Rad oder die Räder bzw. Rollen von der Wand abheben können, so dass ein Vortrieb nicht mehr gewährleistet ist. Ferner wurde erkannt, dass sich Räder bzw. Rollen in laufenden Kabeln verkeilen können.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Miniaturroboter zu schaffen, der eine zuverlässige Fortbewegung in einem Rohr mit geringem lichten Maß ermöglicht, und ein System zum Ermitteln der Position eines solchen Miniaturroboters zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Miniaturroboter nach Anspruch 1 und ein System nach Anspruch 22 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Beispiele der Erfindung schaffen einen Miniaturroboter zum Bewegen durch ein Rohr mit einem lichten Maß von maximal 100 mm, der eine Antriebseinrichtung aufweist, die ausgelegt ist, um den Miniaturroboter entlang der Innenwand des Rohrs zu bewegen. Die Antriebseinrichtung weist einen Kettenantrieb, der ein Motormodul und ein Kettenfahrwerkmodul mit einem Kettenlaufwerk aufweist, die über eine flexible Verbindung verbunden sind, oder einen Inchworm-Antrieb auf.
Die Erfinder haben erkannt, dass solche Antriebseinrichtungen vorteilhaft eingesetzt werden können, um den Miniaturroboter auf zuverlässige Weise in einem Rohr mit geringen lichten Maßen zu bewegen. Insbesondere hat sich gezeigt, dass durch diese Antriebe ein Verkeilen des Miniaturroboters an Störstellen oder auch an bereits in dem Rohr verlaufenden Kabeln reduziert oder auch gänzlich vermieden werden kann. Ferner hat sich gezeigt, dass mit diesen Antrieben ein Miniaturroboter mit geringen Ausmaßen realisiert werden kann, so dass beispielsweise auch ein Einziehen von Zugmitteln in Rohre mit geringen lichten Maßen, d.h. geringen inneren Querschnittabmessungen, möglich ist. Dabei hat sich gezeigt, dass ein Kettenfahrwerk insbesondere für Leerrohre zur Installation elektrischer Leitungen vorteilhaft ist, da die Gefahr einer Verkeilung verglichen mit Rollen oder Rädern deutlich reduziert sein kann. Ferner hat sich gezeigt, dass ein Inchworm-Antrieb insbesondere für Wasserrohre vorteilhaft ist, da auch enge Biegeradien, die in Wasserrohren häufiger auftreten, durchfahren werden können.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Miniaturroboters;
1b schematisch eine Querschnittdarstellung eines Rohrs;
2 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Miniaturroboters und eines Systems;
3A und 3B schematische Darstellungen eines Beispiels eines Kettenfahrwerks;
4 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Miniaturroboters mit Kettenantrieb und zusätzlicher Aktoreinheit;
5 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Miniaturroboters mit Kettenantrieb und Aktoreinheit;
6 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Inchworm-Prinzips;
7 eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines Miniaturroboters mit I nchworm-Antrieb;
8 eine schematische Vorderansicht des Miniaturroboters von 7;
9 eine schematische perspektivische Ansicht des Miniaturroboters der 7 und 8;
10A bis 10G schematische Darstellungen des Miniaturroboters von 5 in unterschiedlichen Antriebszuständen des Inchworm-Antriebs;
11 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Miniaturroboters mit Inchworm-Antrieb, dessen Längsaktor einen in einem Zylinder beweglichen Kolben aufweist;
12A bis 12E schematische Darstellungen des Miniaturroboters von 11 in unterschiedlichen Antriebszuständen des Inchworm-Antriebs; und
13 eine schematische Darstellung, die eine Bewegung eines Beispiels eines Miniaturroboters entlang einer Rohrbiegung zeigt.

Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Erfindung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sein können, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, typischerweise weggelassen ist und diesbezüglich auf die vorhandene Beschreibung verwiesen wird. Diesbezüglich können Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, gegeneinander austauschbar sein. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Erfindung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn, Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen
Beispiele der Erfindung beziehen sich auf Miniaturroboter, die im Vergleich zu existierenden Rohrrobotern, welche für größere Rohrdurchmesser ausgelegt sind, ausgelegt sind, um sich in Rohren mit geringen Durchmessern und geringen Biegeradien zu bewegen. Der Innendurchmesser von Leerrohren schwankt je nach Hersteller, liegt aber im Bereich bis minimal 12 mm. Typische minimale Biegeradien eines Leerrohres liegen laut Angaben der Hersteller bei 12 cm. Um solche Radien durchfahren zu können, überschreitet bei Beispielen die Länge des Miniaturroboters oder einzelner Module des Roboters 3 cm nicht. Mehrere Module, die diese Länge nicht überschreiten, können mittels flexibler Verbindungen verbunden sein, um den Miniaturroboter zu bilden.
1a zeigt schematisch ein Beispiel eines Miniaturroboters 4 mit einer Antriebseinrichtung 6 zum Bewegen durch ein Rohr R mit lichten Maßen von maximal 100 mm. Unter lichten Maßen werden hierin die inneren Querschnittabmessungen des Rohrs verstanden, die den Querschnitt, der für die Bewegung des Miniaturroboters zur Verfügung steht, definieren. Bei einem runden Rohr ist das lichte Maß beispielsweise der Durchmesser. Bei einem rechteckigen Rohr sind die lichten Maße beispielsweise Breite und Höhe des Rohrs. Bei einem Rohr mit einer geriffelten inneren Oberfläche, wie es beispielsweise bei Leerrohren der Fall sein kann, ist das lichte Maß beispielsweise der durch Riffel definierte innere Durchmesser D_i, wie es schematisch in 1b, für ein Rohr R gezeigt ist, das eine geriffelte Seitenwand aufweist, durch die der innere Durchmesser D_i und ein äußerer Durchmesser D_a definiert ist. Unter einem Rohr ist hierin ein länglicher hohler Körper zu verstehen, einschließlich hohlen Leitungen und Kanälen. Beispiele für ein Rohr sind ein Leerrohr für eine elektrische Verkabelung oder ein Wasserrohr. Der Miniaturroboter 4 besitzt Abmessungen, die es ihm ermöglichen, sich durch das Rohr R mit entsprechenden lichten Maßen zu bewegen. Anders ausgedrückt besitzt der Miniaturroboter 4 Abmessungen quer zur Bewegungsrichtung, die an die lichten Maße des Rohrs angepasst sind, um zu ermöglichen, dass die Antriebseinrichtung 6 in Kontakt mit der Innenwand und vorzugsweise gegenüberliegenden Abschnitten der Innenwand des Rohrs R kommt, um dadurch eine Bewegung des Miniaturroboters 4 entlang der Innenwand bewirken zu können.
Bei Beispielen ist der Miniaturroboter 4 ausgelegt, um sich durch Rohre mit einem lichten Maß von maximal 50 mm zu bewegen. Bei Beispielen ist der Miniaturroboter 4 ausgelegt, um sich durch ein Leerrohr für eine elektrische Verkabelung mit einem üblichen lichten Maß von 12 mm bis 35 mm zu bewegen. Bei Beispielen ist der Miniaturroboter 4 ausgelegt, um sich durch ein Wasserrohr mit einem üblichen lichten Maß von 10 mm bis 40 mm zu bewegen. Bei Beispielen ist der Miniaturroboter 4 ein Miniaturroboter zum Einziehen eines Zugmittels in das Rohr. Unter einem Zugmittel ist hierbei ein Mittel zu verstehen, das geeignet ist, ein elektrisches Kabel oder einen Kabelstrang in das Rohr einzuziehen, wie z.B. eine Zugschnur oder ein Zugdraht. Um ein solches Zugmittel einzuziehen, weist der Miniaturroboter 4 Befestigungsmittel zum dauerhaften oder lösbaren Befestigen des Zugmittels auf.
Der Miniaturroboter 4 weist die Antriebseinrichtung 6 auf, die ausgelegt ist, um den Miniaturroboter 4 entlang der Innenwand des Rohrs R zu bewegen. Die Antriebseinrichtung 6 weist entweder einen Kettenantrieb 8 oder einen Inchworm-Antrieb 10 auf, wie schematisch in 1a durch Pfeile P1 und P2 angedeutet ist. Der Kettenantrieb 8 weist ein Motormodul 12 und ein Kettenfahrwerkmodul 14 auf, die über eine flexible Verbindung 16 verbunden sind. Das Kettenfahrwerkmodul 14 weist ein Kettenfahrwerk auf. Der Teil des Miniaturroboters, der das Kettenfahrwerk oder den Inchworm-Antrieb trägt, kann auch als Antriebswagen bezeichnet werden.
Unter einem Kettenfahrwerk wird hierin ein Fahrwerk verstanden, das eine Gleiskette aufweist, die mit der Oberfläche, entlang der eine Bewegung stattfinden soll, in Kontakt steht, d.h. in Eingriff ist. Dies unterscheidet ein Kettenfahrwerk beispielsweise von Rädern, die über eine gemeinsame Kette angetrieben werden, die aber nicht mit der Oberfläche, über die die Bewegung stattfindet, in Kontakt steht. Durch die Verwendung eines Kettenfahrwerks kann eine zuverlässige Bewegung erhalten werden, da auch dann, wenn ein angetriebenes Rad von der Oberfläche abgehoben ist, durch die Bewegung der Kette noch eine Bewegung erreicht werden kann. Darüber hinaus kann die Gefahr einer Verkeilung beispielsweise an Störstellen oder an bereits eingezogenen Kabeln reduziert sein. Somit eignet sich diese Antriebsart insbesondere für Leerrohre für elektrische Verkabelung.
Das Kettenfahrwerkmodul 14 und das Motormodul 12 sind als separate Module aufgebaut, die nur über die flexible Verbindung verbunden sind, so dass die einzelnen Module geringere Abmessungen in Bewegungsrichtung aufweisen können. Dies ermöglicht, dass der Miniaturroboter 4 auch Rohre mit geringeren Biegeradien durchfahren kann.
Bei Beispielen ist das Kettenfahrwerkmodul 14 in Vorwärtsbewegungsrichtung vor dem Motormodul 12 angeordnet und zieht somit das Motormodul 12 durch das Rohr R.
Bei Beispielen, kann das Motormodul 12 ein elektrischer Motor sein und die flexible Verbindung 16 kann eine flexible Welle aufweisen, über die Rotationsenergie von dem Motormodul 12 zu dem Kettenfahrwerkmodul 14 übertragen werden kann, um das Kettenfahrwerk anzutreiben. Es bedarf keiner separaten Erläuterung, dass hierzu geeignete Getriebevorrichtungen und Umlenkvorrichtungen vorgesehen sein können, um eine Drehbewegung einer Ausgangswelle des Motors in eine Rotationsbewegung zum Antrieb einer Antriebsachse des Kettenfahrwerks umzusetzen.
Bei Beispielen weist das Kettenfahrwerk des Kettenfahrwerkmoduls zumindest eine Gleiskette auf, die ausgelegt ist, um auf einer Seite mit der Innenwand des Rohrs in Kontakt zu stehen, wobei das Kettenfahrwerkmodul eine Feder aufweist, die ausgelegt ist, um auf der gegenüberliegenden Seite gegen eine Innenwand des Rohrs zu drücken, um die zumindest eine Gleiskette gegen die gegenüberliegende Innenwand des Rohrs zu drücken. Dadurch kann die Kraftübertragung auf die Innenwand des Rohrs verbessert werden, insbesondere bei von einer horizontalen Bewegungsrichtung abweichenden Bewegungsrichtungen.
Bei Beispielen ist die Feder ausgelegt, um unabhängig vom Komprimierungsgrad der Feder in einem Betriebsbereich der Feder einen minimal benötigten, vorzugsweise konstanten Anpressdruck gegen die Innenwand des Rohrs zu bewirken. Dadurch soll erreicht werden, dass die Feder die Gleiskette mit einer ausreichenden, aber nicht zu starken Kraft gegen die Rohrinnenwand drückt, um dadurch bedingte Verluste zu vermeiden. Bei Beispielen weist die Feder einen steuerbaren Anpressdruck auf. Bei Beispielen weist die die Feder einen pneumatischen oder hydraulischen Druckzylinder auf, der ausgelegt ist, um die Feder gegen die Innenwand des Rohrs zu drücken. Dadurch ist es möglich, abhängig von der Komprimierung der Feder den Druck des hydraulischen oder pneumatischen Druckzylinders einzustellen, um Anpressdruckunterschieden, die durch unterschiedliche Komprimierungen der Feder bedingt wären, entgegenzuwirken. Bei Beispielen weist die Feder eine Formgedächtnislegierung auf, so dass der Anpressdruck der Feder elektrisch gesteuert werden kann.
Bei Beispielen ist die Feder eine bogenförmige Blattfeder, wobei beide Seiten der Feder fest an einem Körper des Kettenfahrwerkmoduls angebracht sind, oder wobei eine Seite der Feder fest an dem Körper des Kettenfahrwerkmoduls angebracht ist und die andere Seite der bogenförmigen Feder gleitend an dem Körper des Kettenfahrwerkmoduls gelagert ist. Durch eine solche Ausgestaltung ist es möglich, eine Feder mit gewünschtem Anpressdruck auf einfache Weise zu implementieren.
Bei Beispielen weist die Gleiskette ein Elastomermaterial auf. Durch die Verwendung eines Elastomermaterials kann eine hohe Reibung zwischen der Oberfläche, entlang der die Bewegung stattfindet, und der Gleiskette und somit eine gute Übertragung der Antriebskraft erreicht werden. Bei Beispielen weist die Gleiskette Riffel in einem Winkel zu einer Bewegungsrichtung der Gleiskette auf. Derartige Riffel können den Antrieb weiter verbessern. Darüber hinaus können derartige Riffel mit Rillen in der Oberfläche, entlang der die Bewegung stattfindet, Eingriff nehmen, um die Kraftübertragung zu verbessern. Die Ausrichtung der Riffel kann dabei an die Ausrichtung der Rillen in der Oberfläche, d.h. der Innenseite des Rohrs, angepasst sein.
Bei Beispielen, bei denen die Antriebseinrichtung den Inchworm-Antrieb aufweist, kann Energie zum Antrieb des Inchworm-Antriebs von außerhalb des Rohrs der Antriebseinrichtung zugeführt werden. Bei alternativen Beispielen kann der Miniaturroboter auch im Fall eines Inchworm-Antriebs einen modularen Aufbau aufweisen, bei dem der Inchworm-Antrieb in einem ersten Modul gebildet ist, das über eine flexible Verbindung, beispielsweise eine Druckleitung, mit einem zweiten Modul, das beispielswiese eine Pumpe aufweist, die ausgelegt ist, um pneumatische oder hydraulische Energie zu liefern, verbunden ist.
Bei Beispielen weist der Inchworm-Antrieb 10 einen ersten und einen zweiten Queraktor und einen Längsaktor auf, der zwischen dem ersten und dem zweiten Queraktor angeordnet ist. Der wobei der erste und zweite Queraktor sind ausgelegt, um sich abwechselnd in dem Rohr zu verkeilen, d.h. mit jeweils gegenüberliegenden Bereichen der Innenwand des Rohrs in Kontakt zu stehen bzw. in einen kraftschlüssigen Zustand mit der Rohrwand gebracht zu werden. Der Längsaktor ist ausgelegt, um jeweils den Queraktor, der nicht verkeilt ist, zu bewegen. Es wurde erkannt, dass sich eine solche Implementierung der Antriebseinrichtung insbesondere eignet, um eine Bewegung entlang geringer Biegungsradien zu ermöglichen. Dies macht einen solchen Antrieb insbesondere für Miniaturroboter, die in Wasserrohren eingesetzt werden, geeignet.
Bei Beispielen weisen die Queraktoren und der Längsaktor des Inchworm-Antriebs jeweils eine Formgedächtnislegierung auf. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer Formgedächtnislegierung (FGL) aufgrund der gegebenen Hub- und Kraftanforderungen verbunden mit den geringen Außenabmessungen geeignet sein kann, um den Inchworm-Antrieb zu implementieren. Formgedächtnislegierungen können im Vergleich zu anderen Aktorprinzipien eine höhere Energiedichte von bis zu 10⁷ J/m³ aufweisen. Ein weiterer Vorteil sind die vielfältigen Ausgestaltungsmöglichkeiten von FGL-Aktoren. FGL-Federn können vorteilhaft verwendet werden, da sie eine in Abhängigkeit des Drahtdurchmessers, der Steigung und des Innendurchmessers einstellbare Kraft besitzen. Der Hub der Aktoren ist von der Gesamtlänge der Federn abhängig und kann somit gut an gegebene Anforderungen angepasst werden.
Bei Beispielen basiert der Inchworm-Antrieb auf einem pneumatischen oder hydraulischen Inchworm-Prinzip, wobei jeweilige Ausdehnungen des ersten und zweiten Queraktors quer zur Bewegungsrichtung pneumatisch oder hydraulisch einstellbar sind und der Längsaktor pneumatisch oder hydraulisch betätigbar ist. Bei Beispielen ist der Längsaktor pneumatisch oder hydraulisch betätigbar, um die Ausdehnung desselben in Bewegungsrichtung zu verändern. Bei Beispielen weisen der erste Queraktor und der zweite Queraktor ein elastisches Kissen auf, dessen jeweilige Ausdehnung durch Einbringen und Entnehmen eines Fluids eingestellt werden kann, und der Längsaktor weist einen in einem Zylinder hydraulisch oder pneumatisch bewegbaren Kolben auf. Dies ermöglicht eine einfache Realisierung des Inchworm-Antriebs unter Verwendung eines hydraulischen/pneumatischen Konzepts.
Bei Beispielen kann der Inchworm-Antrieb steuerbar sein, beispielsweise durch eine externe Einrichtung, um auch Hindernisse oder Störstellen in dem Rohr, das beispielsweise ein Leerrohr für eine elektrische Verkabelung oder ein Wasserrohr sein kann, zu überwinden.
Bei Beispielen ist die Antriebseinrichtung ausgelegt, um zwischen einem ersten Modus, in dem der Miniaturroboter in einer ersten Richtung bewegt wird, und einem zweiten Modus, in dem der Miniaturroboter in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung bewegt wird, umzuschalten. Dadurch ist es möglich, den Miniaturroboter bei Bedarf, z.B. wenn das Rohr eine Engstelle aufweist, die nicht überwunden werden kann, rückwärts aus dem Rohr zu bewegen.
Bei Beispielen ist die Antriebseinrichtung ausgelegt, um in einen Notentriegelungsmodus geschaltet zu werden, in dem ermöglicht ist, dass der Miniaturroboter unter Verwendung eines Zugmittels aus dem Rohr gezogen wird. Dadurch ist es möglich, den Miniaturroboter aus dem Rohr zu holen, selbst wenn die Antriebseinrichtung nicht für eine Rückwärtsbewegung ausgelegt ist oder wenn aufgrund anderer Gegebenheiten, wie z.B. Hindernissen, eine Bewegung durch die Antriebseinrichtung nicht möglich ist.
Bei Beispielen wird der Notentriegelungsmodus durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen implementiert. Bei Beispielen, bei denen die Antriebseinrichtung das Kettenfahrwerk aufweist, kann in dem Notentriegelungsmodus das Kettenfahrwerk in einen Leerlaufmodus geschaltet werden. Bei Beispielen, bei denen die Antriebseinrichtung das Kettenfahrwerk und die Feder aufweist, kann in dem Notentriegelungsmodus die Feder entspannt werden. Bei Beispielen, bei denen die Antriebseinrichtung das Kettenfahrwerk aufweist und die Feder mit einem hydraulischen oder pneumatischen Druckzylinder aufweist, kann in dem Notentriegelungsmodus der hydraulische oder pneumatische Druckzylinder in einen eingefahrenen Zustand gebracht werden. Bei Beispielen, bei denen die Antriebseinrichtung das Kettenfahrwerk und die gegenüberliegende Feder aufweist, kann in dem Notentriegelungsmodus die Antriebseinrichtung in einen Rückwärtsmodus geschaltet werden und die Feder entspannt werden. Bei Beispielen, bei denen die Antriebseinrichtung einen Inchworm-Antrieb aufweist, können in dem Notentriegelungsmodus die Ausdehnungen des ersten und zweiten Queraktors eingestellt werden, um nicht mit den gegenüberliegenden Innenwänden des Rohrs in Kontakt zu stehen bzw. verkeilt zu sein, und optional der Längsaktor entspannt werden.
Beispiele ermöglichen somit, dass der Miniaturroboter wieder aus dem Rohr entfernt werden kann, wenn der Roboter feststeckt, z.B. weil er sich an einem Kabel verkeilt hat und nicht mehr vorwärts kommt, so dass das Leerrohr weiter nutzbar ist, um z.B. neue Kabel einzuziehen. Im einfachsten Fall kann es ausreichen, den Miniaturroboter rückwärts wieder aus dem Rohr fahren zu lassen. Steckt der Miniaturroboter aber so stark fest, dass er auch nicht rückwärtsfahren kann, so ist es erforderlich, ihn manuell aus dem Rohr ziehen zu können. Hierzu kann beispielsweise eine Zugschnur genutzt werden, die der Miniaturroboter einzieht, oder auch Leitungen (Kabel), die zur Energieversorgung des Miniaturroboters dienen. Zu diesem Zweck ist der beschriebene Notentriegelungsmodus vorteilhaft, um ein leichteres Herausziehen des Miniaturroboters zu ermöglichen. Bei Verwendung einer Gasdruckfeder im Zusammenhang mit dem Kettenantrieb kann dies beispielsweise durch das Ablassen des Gases realisiert werden. Zur Implementierung des Notentriegelungsmodus kann eine entsprechende elektrische Ansteuerung vorgesehen sein. Wie ausgeführt wurde, kann bei Beispielen die Antriebseinrichtung zum einfacheren Herausziehen des Miniaturroboters entweder in den Leerlauf geschaltet werden oder die Drehrichtung des Motors kann geändert werden, so dass sich der Miniaturroboter rückwärts bewegt.
Bei Beispielen weist der Miniaturroboter 4 eine oder mehrere Verbindungsleitungen 18 auf, über die der Miniaturroboter 4 mit einer oder mehreren externen Vorrichtungen außerhalb des Rohrs verbunden sein kann. Bei Beispielen kann der Miniaturroboter 4 über eine der Verbindungsleitungen 18 mit elektrischer Energie versorgt werden. Bei Beispielen kann eine Datenübertragung zwischen dem Miniaturroboter und einem externen Prozessor über die gleiche oder eine weitere der Verbindungsleitungen erfolgen. Bei Beispielen kann eine der Verbindungsleitungen 18 eine Druckleitung sein, um den Miniaturroboter mit pneumatischer und/oder hydraulischer Energie zu versorgen. Das Implementieren drahtgebundener Verbindungen kann gegenüber einer drahtlosen Übertragung aufgrund des Einsatzgebietes, beispielsweise in Stahlbetonwänden bevorzugt sein.
Bei Beispielen weist der Miniaturroboter eine Aktoreinheit auf, die in einer Vorwärtsbewegungsrichtung vor der Antriebseinrichtung angeordnet ist, wobei die Aktoreinheit ausgelegt ist, um drehende, vibrierende oder stoßende Bewegungen durchzuführen, um Störstellen in dem Rohr zu beseitigen. Im Falle von kleineren Störstellen, die der Miniaturroboter selbst beseitigen kann, ist es somit nicht notwendig, das Rohr zu öffnen und von außen auf das Rohr zuzugreifen, um die Störstelle zu beseitigen.
Rein schematisch ist eine solche optionale Aktoreinheit 22 in 2 gezeigt. Die Aktoreinheit 22 kann direkt an der Antriebseinrichtung angebracht sein. Bei Beispielen ist die Aktoreinheit 22 als ein separates Modul ausgebildet und über eine flexible Verbindung mit der Antriebseinrichtung verbunden. Die Aktoreinheit kann zumindest eine Federeinrichtung aufweisen, die ausgelegt ist, um mit einer Innenwand des Rohrs in Kontakt zu stehen und die Aktoreinheit in dem Rohr zu verkeilen, während eine Störstelle in dem Rohr beseitigt wird. Dadurch ist es möglich, die Ausdehnung der einzelnen Module bzw. Einheiten des Miniaturroboters in Bewegungsrichtung klein zu halten, so dass engere Biegeradien durchfahren werden können. Ferner ist es durch die Verkeilung der Aktoreinheit möglich, Störstellen effektiv zu beseitigen. Die Federeinrichtung der Aktoreinheit kann eine Formgedächtnis-Legierung aufweisen, so dass die Federeinrichtung ausgelegt ist, um mittels eines Stromflusses durch die Formgedächtnis-Legierung versteift zu werden, um die Aktoreinheit in dem Rohr zu verkeilen. Dies ermöglicht eine Verkeilung der Aktoreinheit auf eine einfache Weise.
Bei Beispielen ein vorderes Ende des Miniaturroboters derart ausgestaltet ist, dass der Miniaturroboter in eine Seitwärtsrotation kommt, wenn er auf einen Widerstand trifft, so dass der Widerstand wenn möglich autonom umfahren werden kann. Bei Beispielen ist das vordere Ende des Miniaturroboters kegelförmig, wie dies beispielsweise in 2 durch die Aktoreinheit 22 gezeigt ist, so dass aufgrund der Kegelform Widerstände ohne zusätzliches Lenken umfahren werden können. Bei Beispielen ist der Miniaturroboter lenkbar ausgebildet, so dass eine Bewegungsrichtung des Miniaturroboters geändert werden kann, um einem Hindernis oder einer Störstelle in dem Rohr auszuweichen. Dies ermöglicht es, Widerstände oder Hindernisse in dem Rohr aktiv zu umfahren, beispielsweise Widerstände oder Hindernisse, die durch eine Kamera erfasst werden. Ein solches aktives Umfahren kann beispielsweise durch eine Steuerung des Miniaturroboters autonom oder durch einen Benutzer, der die Bewegung des Miniaturroboters auf einem Bildschirm verfolgt, erfolgen.
Bei Beispielen weist der Miniaturroboter 4 eine Steuerung 24 auf. Die Steuerung kann ausgelegt sein, um die Antriebseinrichtung basierend auf Steuerbefehlen, die von extern erhalten werden, oder basierend auf intern erzeugten Steuerbefehlen zu steuern. Die Steuerung 24 kann auf beliebige geeignete Weise durch eine elektronische Schaltung, beispielsweise einen Mikroprozessor oder eine ASIC (application specific integrated circuit), implementiert sein.
Bei Beispielen weist der Miniaturroboter 4 eine Sensorik 26 auf, die ausgelegt ist, um Inspektionsdaten zu liefern, die eine Inspektion des Rohrs und/oder eine Erfassung von in Bewegungsrichtung vor dem Miniaturroboter angeordneten Hindernisse ermöglichen. Die Sensorik kann bei Beispielen einen optischen Sensor, eine Kamera, einen Ultraschallsensor und/oder einen Radarsensor aufweisen. Beispielsweise kann die Sensorik eine Kamera aufweisen, die Bilddaten liefert, die an einen externen Prozessor geliefert werden können, um es einem Benutzer zu ermöglichen, eine Inspektion des Rohrs vorzunehmen. Es bedarf keiner separaten Erwähnung, dass der Miniaturroboter mit Leuchtmitteln ausgestattet sein kann, um den aufzunehmenden Bereich zu beleuchten. Die Steuerung 24 kann ausgelegt sein, um basierend auf Ausgangssignalen der Sensorik den Miniaturroboter zu steuern, um erfasste Hindernisse zu umfahren, oder die Aktoreinheit 22 zu steuern, um erfasste Störstellen zu beseitigen.
Bei Beispielen weist der Miniaturroboter 4 eine Sensoreinheit 28 auf, die ausgelegt ist, um Messdaten zu liefern, die zu einer Lokalisierung des Miniaturroboters verwendbar sind. Die Sensoreinheit kann zu diesem Zweck einen oder mehrere der folgenden Sensoren aufweist: Inertialsensoren, optische Sensoren, Drehratensensoren, Barometer, Magnetfeldsensoren, und Wegmessungssensoren. Durch die Sensoreinheit erhaltene Messdaten können mittels Sensorfusion verarbeitet werden, um die Position des Miniaturroboters zu bestimmen. Beispielsweise kann durch Sensorfusion über eine IMU (inertiale Messeinheit), ein Barometer und ein Messen der eingezogenen Zugschnurlänge bzw. eine Schlupferkennung der von dem Miniaturroboter zurückgelegte Weg ermittelt werden.
Die Ausgangsdaten der Sensorik 26 und/oder der Sensoreinheit 28 können zur Auswertung an die Steuerung 24 und/oder eine externe Verarbeitungseinheit übermittelt werden. Die Steuerung 24 und/oder die externe Verarbeitungseinheit können unter Verwendung der Daten die Position des Miniaturroboters ermitteln, Störstellen und oder Hindernisse erfassen, und/oder Informationen bezüglich der Beschaffenheit des Rohrs gewinnen. Bei Beispielen kann die Steuerung 24 ausgelegt sein, um aufgenommene Messdaten und/oder Inspektionsdaten (z.B. Bilder) zu einem externen Empfänger, beispielsweise einer externen Verarbeitungseinheit, zu übertragen und/oder Steuerdaten zur Steuerung des Miniaturroboters über die Schnittstelle von einem externen Sender, beispielsweise einer oder der externen Verarbeitungseinheit, zu empfangen. Dadurch ist es möglich, den Miniaturroboter von außen zu steuern. Die Steuerung 24 kann ausgelegt sein, um die Antriebseinrichtung zu steuern, beispielsweise basierend auf externen Steuerbefehlen und/oder basierend auf internen, beispielsweise auf Ausgangssignalen der Sensoreinheit 28 und/oder der Sensorik 26 basierenden, Steuerbefehlen. Die Steuerung 24 kann ausgelegt sein, um den Miniaturroboter zu steuern, um die hierin beschriebenen Funktionalitäten ganz oder teilweise zu implementieren.
Geeignete Schnittstellen für eine Kommunikation der Steuerung 24 mit anderen Modulen des Miniaturroboters, wie z.B. der Sensorik 26 oder der Sensoreinheit 28, sowie für eine Kommunikation der Steuerung 24 und anderer Module des Miniaturroboters 4 mit einer externen Verarbeitungseinheit können vorgesehen sein. Lediglich beispielhaft ist in 2 eine drahtgebundene Schnittstelle 30 gezeigt. Generell können eine oder mehrere drahtlose oder drahtgebundene Schnittstellen zur Datenübertragung und/oder Energieübertragung mit einer externen Vorrichtung vorgesehen sein. Bei Beispielen kann die Schnittstelle 30 oder können die mehreren Schnittstellen ausgelegt sein, um Versorgungsenergie und Steuerbefehle zu empfangen und/oder um Messdaten und/oder Inspektionsdaten zu senden. Eine oder mehrere Schnittstellen 30 können für eine drahtgebundene Übertragung mit der oder den Verbindungsleitungen 18 verbunden sein. Die Verbindungsleitung(en) 18 kann beispielsweise Teil eines Einzugsmittels sein, das mittels des Miniaturroboters 4 in das Rohr eingezogen wird.
Beispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein System, das einen der Miniaturroboter, wie sie hierin beschrieben sind, einen Prozessor, der ausgelegt ist, um die Messdaten von dem Miniaturroboter zu empfangen, und um unter Verwendung der Messdaten die Position des Miniaturroboters zu ermitteln, und eine Anzeigeeinheit aufweist, um die ermittelte Position des Miniaturroboters anzuzeigen. Ein externer Prozessor 40 und eine Anzeigeeinheit 42 sind schematisch in 2 gezeigt. Der Prozessor 40 und die Anzeigeeinheit 42 sind Beispiele für eine externe Einrichtung, mit der der Miniaturroboter 4 über Kommunikationsmittel kommunizieren kann, wie durch einen Doppelpfeil 44 in 2 angedeutet sind. Die Kommunikationsmittel sind bei Beispielen für eine drahtgebundene Kommunikation ausgelegt. Alternativ können die Kommunikationsmittel für eine drahtlose Kommunikation ausgelegt sein. Der Prozessor 40 und die Anzeigeeinheit 42 können beispielsweise durch eine Recheneinrichtung mit Anzeige, wie z.B. einen tragbaren Computer, ein Tablet oder ein Mobiltelefon, implementiert sein. Bei Beispielen kann die externe Einrichtung ferner ausgelegt sein, um die Inspektionsdaten, wie z.B. Bilder, von dem Miniaturroboter zu empfangen und auf einer Anzeigeeinheit., beispielsweise der Anzeigeeinheit 42, anzuzeigen.
Beispiele ermöglichen somit die Ermittlung der Position des Miniaturroboters sowie die Anzeige der Position, um es einem Benutzer zu ermöglichen, den Miniaturroboter möglichst einfach zu lokalisieren. Bei Beispielen kann der Prozessor ausgelegt sein, um eine Mehrzahl von Positionen des Miniaturroboters zu ermitteln und unter Verwendung von ermittelten Positionen des Miniaturroboters einen Plan des Rohrs oder der Rohre, durch das sich der Miniaturroboter bewegt, zu erstellen. Bei Beispielen kann die Anzeigeeinheit ausgelegt sein, um die Position des Miniaturroboters in einem Plan eines Gebäudes, in dem sich das Rohr befindet, anzuzeigen, um einem Benutzer zu ermöglichen, auf der Grundlage der angezeigten Position den Miniaturroboter in dem Rohr zu finden oder durch eine separate Messung an der angezeigten Position die exakte Position des Miniaturroboters zu ermitteln. Beispiele ermöglichen somit, dass die näherungsweise Position des Miniaturroboters automatisch ermittelt wird, was es einem Benutzer ermöglicht, die Suche nach der exakten Position des Miniaturroboters auf den Bereich um die ermittelte näherungsweise Position zu beschränken, was die Ermittlung der exakten Position auf zeitsparende Weise ermöglicht. Die Ermittlung der exakten Position kann beispielsweise mittels eines Handsuchgeräts erfolgen.
Bei Beispielen kann die Anzeigeeinheit ausgelegt sein, um Bilder, die von dem Miniaturroboter empfangen werden, anzuzeigen, was es einem Benutzer ermöglicht, die angezeigten Bilder, beispielsweise bezüglich Hindernissen und Störstellen, zu analysieren und basierend darauf den Miniaturroboter zu steuern. Es bedarf keiner separaten Erläuterung, dass die externe Einrichtung, die den Prozessor 40 und die Anzeigeeinheit 42 aufweist, eine Benutzerschnittstelle aufweisen kann, die es einem Benutzer ermöglicht, Eingaben zu machen, auf derer Grundlage Befehle zur Steuerung des Miniaturroboters erzeugt werden können. Bei Beispielen können die Bilder auch automatisch durch den Prozessor analysiert werden, um basierend auf dem Ergebnis die Befehle zur Steuerung des Miniaturroboters zu erzeugen. Befehle zum Steuern des Miniaturroboters können beispielsweise Befehle zum Umfahren eines erkannten Hindernisses (beispielsweise eines bereits verlegten Kabels), zum Beseitigen einer erkannten Störstelle, zur Umkehr der Bewegungsrichtung des Miniaturroboters oder zum Schalten des Miniaturroboters in den Leerlaufmodus aufweisen.
Bei Beispielen ist der Miniaturroboter ausgelegt, um ein Zugmittel, beispielsweise eine Zugschnur oder ein Zugkabel, in ein Leerrohr einzuziehen. An diesem Zugmittel kann nachfolgend ein Kabel in das Leerrohr eingezogen werden. Theoretisch könnte das Kabel auch durch den Miniaturroboter in das Leerrohr eingezogen werden, was in der Praxis aber aufgrund des Gewichts des Kabels kaum möglich ist. Hat das Leerrohr einen Defekt (Störstelle), kann es unmöglich sein, ein Kabel einzuziehen. Beispiele ermöglichen eine Beseitigung kleinerer Störstellen, wie z.B. Dreck, durch den Miniaturroboter mittels der Aktoreinheit. Kann der Defekt nicht durch den Miniaturroboter beseitigt werden, ist der Defekt zu lokalisieren, um ihn beheben zu können. Falls der Defekt durch einen Benutzer, wie z.B. einen Elektriker, zu beheben ist, ist die Wand an der Stelle des Defekts zu öffnen. Dazu ist der Defekt möglichst genau zu lokalisieren. Beispiele ermöglichen eine genaue Lokalisierung des Defekts, indem unter Verwendung der Daten von der Sensoreinheit beispielsweise mittels Sensorfusion der grobe Standort des Miniaturroboters und somit des Defekts ermittelt wird. Das Ergebnis sagt zumindest aus, in welchem Raum sich der Miniaturroboter befindet und in welcher Wand. Mittels eines Handsuchgeräts, das ähnlich einem Kabelsuchgerät sein kann, kann dann die Wand abgefahren werden, um den Miniaturroboter genau zu lokalisieren. Beispiele ermöglichen eine Erkennung von Störstellen sowie der Art der Störstelle, indem das Rohr durch die Kamera (Miniaturkamera) des Miniaturroboters inspiziert wird. Bei Störstellen kann es sich um Ausbuchtungen der Leerrohrinnenwand oder Gegenstände, die das Leerrohr verstopfen, oder ähnliches handeln, die ein Weiterbewegen des Miniaturroboters in dem Leerrohr und/oder ein Einziehen eines Kabels in das Leerrohr verhindern oder beeinträchtigen.
Bei Beispielen können der Aktor und/oder eine Kamera als Module ausgebildet sein, die wechselweise durch eine lösbare Befestigung an der gleichen im vorderen Bereich des Miniaturroboters befindlichen mechanischen Schnittstelle angebracht werden können. Dadurch ist es möglich, den Miniaturroboter entweder mit dem Aktor oder mit der Kamera auszustatten. Dadurch kann eine Größen- und Gewichts-Zunahme, die auftreten würde, wenn er Miniaturroboter beide Komponenten aufweisen würde, verhindert werden.
Nachfolgend werden Beispiele eines Miniaturroboters beschrieben, bei denen die Antriebseinrichtung den Kettenantrieb mit einem Kettenfahrwerk aufweist. Das Kettenfahrwerk weist eine Gleiskette auf, durch die ein reibschlüssiger Kontakt zwischen dem Miniaturroboter und der Rohrwand erzeugt wird, so dass sich der Miniaturroboter bewegen kann, wenn die Gleiskette angetrieben wird. Zu diesem Zweck ist die Antriebseinrichtung des Miniaturroboters auf die Gegebenheiten im Rohr zugeschnitten, d.h. insbesondere die Abmessungen der Antriebseinrichtung quer zur Bewegungsrichtung sind an die Querschnittabmessungen des Rohrs angepasst. Ein Kettenfahrwerk ist insbesondere geeignet, da die Kontaktfläche zwischen dem Rohr und der Antriebseinrichtung, die die Gleiskette aufweist, maximiert werden kann, so dass sichergestellt ist, dass immer ein Kontakt zwischen der Gleiskette und der Rohrwand besteht, um den Vortrieb zu gewährleisten. Dies ist besonders wichtig, wenn der Miniaturroboter in Kontakt mit einem verlegten Kabel kommt. Hier ist es möglich, dass das Kabel einseitig auf den Miniaturroboter drückt, und somit die andere Seite des Miniaturroboters angehoben wird und sozusagen in der Luft hängt. Hätte der Miniaturroboter z.B. nur einen Radantrieb, wobei sich das Rad an der Stelle befindet, die nun in der Luft hängt, so wäre kein Vortrieb mehr realisierbar und der Miniaturroboter würde feststecken. Die Gleiskette ist bei Beispielen ferner ausgebildet, um sich nicht in den Mantel eines bereits verlegten Kabels zu drücken, um zu verhindern, dass der Mantel beschädigt wird oder der Miniaturroboter sich verkeilt. Bei Beispielen besteht die Gleiskette aus einem Material, das weicher ist als üblicherweise verwendete Materialien des Kabelmantels. Bei Beispielen besteht die Gleiskette aus einem weichen, vorzugsweise flexiblen Material. Bei Beispielen besteht die Gleiskette aus einem Elastomer. Bei Beispielen ist die Gleiskette geriffelt gestaltet, so dass sie nach Möglichkeit in eine Riffelung des Leerrohrs eingreifen kann. Auch bei glatten Lehrrohren kann eine geriffelte Gleiskette genutzt werden, so dass die gleiche Antriebseinrichtung für geriffelte und glatte Leerrohren genutzt werden kann.
3A zeigt schematisch eine Draufsicht auf und 3B eine Seitenansicht eines Beispiels eines Kettenfahrwerks 50. Das Kettenfahrwerk 50 weist zwei Gleisketten 52 auf, eine auf jeder Seite, von denen in der Seitenansicht in 3B nur eine zu sehen ist. Die Gleisketten 52 laufen über Räder 54, 56, von denen jeweils eines ein Antriebsrad und eines ein frei laufendes Rad darstellt. Die Antriebsräder sind auf einer Antriebsachse gelagert. Die Gleisketten 52 weisen eine geriffelte Lauffläche auf. Die Gleisketten 52 werden über das jeweilige Antriebsrad angetrieben und stehen in Kontakt mit der Innenseite des Rohrs, um den Miniaturroboter in dem Rohr zu bewegen. Bei Beispielen ist das in den 3A und 3B gezeigte Kettenfahrwerk Teil des Kettenfahrwerkmoduls 14 des Miniaturroboters 10 und ist über eine flexible Welle 58 mit dem Motormodul 12 (in 3A und 3B nicht gezeigt), das einen Elektromotor aufweist, verbunden. Geeignete Getriebeeinrichtungen (nicht gezeigt) sind vorgesehen, um eine Rotation der flexiblen Welle 58 in eine Rotation der Antriebsräder umzusetzen. Bei Beispielen kann das Kettenfahrwerk 50 ausgelegt sein, um eine Lenkung des Miniaturroboters durch unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten der beiden Antriebsräder zu ermöglichen. Obwohl bei dem gezeigten Beispiel eines Kettenfahrwerks zwei Gleisketten vorgesehen sind, kann bei alternativen Beispielen das Kettenfahrwerk nur eine Gleiskette aufweisen.
4 zeigt ein Beispiel des Miniaturroboters 4, bei dem die Antriebseinrichtung ein Kettenfahrwerk, beispielsweise das Kettenfahrwerk 50, das in den 3A und 3B gezeigt ist, aufweist. Der Miniaturroboter 4 weist das Motormodul 12 auf, das über die flexible Verbindung 16 mit dem Kettenfahrwerkmodul 14, das das Kettenfahrwerk 50 aufweist, verbunden ist. Die flexible Verbindung 16 weist die flexible Welle 58 auf. Das Motormodul 12 weist einen Elektromotor auf, der ausgelegt ist, um eine Rotation der flexiblen Welle 58 zu bewirken. Die Rotation der flexiblen Welle 58 wird in dem Kettenfahrwerkmodul 14 in eine Rotation der Antriebsräder umgesetzt, um den Miniaturroboter 4 in einem Rohr R zu bewegen. Zu diesem Zweck kann der Elektromotor über die flexible Welle 58 ein Getriebe in dem Kettenfahrwerkmodul 14 antreiben. Das Getriebe kann dann über eine 90°-Kegelradumlenkung die Antriebsachse des Kettenfahrwerks 50 antreiben. Die Gleisketten 52 des Kettenfahrzeugs 50 stehen mit der inneren Oberfläche des Rohrs R in Kontakt. Um dies zu gewährleisten, weist das Kettenfahrwerkmodul 14 eine Feder 70 auf, die auf der dem Kettenfahrwerk gegenüberliegenden Seite gegen die Innenwand des Rohrs R drückt. Die Feder 70 wird bei dem gezeigten Beispiel unter Verwendung eines hydraulischen oder pneumatischen Druckzylinders 72 gegen die Innenseite des Rohrs R gedrückt. Eine Pumpe (nicht gezeigt), um den Druck für den Druckzylinder 72 zu liefern, ist in dem Miniaturroboter 4 vorgesehen oder kann über eine Druckleitung von einer externen Vorrichtung geliefert werden. Die flexible Verbindung 16 kann zu diesem Zweck zusätzlich zu der flexiblen Welle 58 eine Druckleitung aufweisen, um den Druck zu dem Druckzylinder 72 zu liefern.
Das Motormodul 12 ist über eine oder mehrere Verbindungsleitungen 18 mit einer externen Einrichtung verbunden, um den Miniaturroboter 4 mit Energie zu versorgen und/oder Daten zwischen dem Miniaturroboter und der externen Einrichtung zu übertragen. Die Verbindungsleitungen 18 können auch eine Druckleitung aufweisen, um den Druckzylinder 72 mit Druck zu versorgen.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel weist der Miniaturroboter ein Aktormodul 80 auf, das über ein flexible Verbindung 82 in Vorwärtsbewegungsrichtung vor dem Kettenfahrzeugmodul 14 angeordnet ist. Das Aktormodul 80 weist eine Aktoreinheit 84 auf, die am vorderen Ende des Aktormoduls 80 angeordnet ist. Die Aktoreinheit 84 ist ausgebildet, um eine drehende, vibrierende oder stoßende Bewegung auszuführen, um kleinere Störstellen in dem Rohr R beispielsweise durch Abrieb zu beseitigen. Beispielsweise kann die Aktoreinheit 84 einen sich drehenden, nach vorne konischen Kopf aufweisen, der sich dreht, um durch Strukturen in seiner Vorderseite Störstellen abzutragen, beispielsweise zu schleifen, fräsen oder schneiden. Alternativ kann die Aktoreinheit 84 als Meißel oder Hammer ausgebildet sein. Energie, beispielsweise elektrische Energie oder Druck, der zum Antrieb der Aktoreinheit benötigt wird, kann über die flexible Verbindung 82 dem Aktormodul 80 zugeführt werden. Das Aktormodul 80 weist ferner eine erste Feder 86 und eine zweite Feder 88 auf. Die Federn 86 und 88 sind ausgelegt, um das Aktormodul 80 mit der Aktoreinheit 84 in dem Rohr zu verkeilen, wenn die Aktoreinheit 84 eingesetzt wird, um eine Störstelle zu beseitigen. Zu diesem Zweck kann, wie in 4 gezeigt ist, zumindest die Feder 86 über einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder 90 gegen die Innenwand des Rohrs R gepresst werden. Bei anderen Beispielen können die Federn 86, 88 eine Formgedächtnislegierung aufweisen, so dass die Federn mittels eines Stromflusses in Kontakt mit der Innenseite des Rohrs gebracht werden können, während die Federn zurückgezogen sind, wenn kein Strom durch dieselben fließt. Durch die Verkeilung des Aktormoduls 80 während des Beseitigens einer Störstelle ist es möglich, ausreichend Kraft durch die Aktoreinheit 84 auf die Störstelle auszuüben, um die Störstelle abzutragen.
5 zeigt ein alternatives Beispiel des Miniaturroboters 4, das sich lediglich dadurch von dem in 4 gezeigten Miniaturroboter unterscheidet, dass die Aktoreinheit 84 direkt an dem Kettenfahrwerkmodul 14 angebracht ist, und nicht über eine flexible Verbindung. Dadurch ist es möglich, den Miniaturroboter 4 insgesamt kompakter zu gestalten. Jedoch wird das Kettenfahrwerkmodul 14 dadurch größer, weshalb es schwieriger sein kann, sich durch kleine Biegungsradien zu bewegen. Daher kann es vorteilhaft sein, die Aktoreinheit 84 als ein separates Modul vorzusehen, das nur über eine flexible Verbindung mit dem Kettenfahrwerkmodul 14 verbunden ist, wie es in 4 gezeigt ist.
Die Federn 72, 86 und 88 können als gebogene Blattfedern ausgebildet sein. Eine oder mehrere der Federn 72, 86 und 88 können lediglich an einem Ende befestigt sein, während das andere Ende auf dem Körper der jeweiligen Einheit, an der die Feder angebracht ist, gleiten kann. Mit anderen Worten können eine oder mehrere der Federn einseitig gelagert sein.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist das Aktormodul 80 mit der Aktoreinheit 84 optional und bei dem in 5 gezeigten Beispiel ist die Aktoreinheit 84 optional. Diese Einheiten können jeweils als modularer Aufsatz ausgestaltet sein, der bei Bedarf an den Miniaturroboter angekoppelt werden kann. Statt des Aktormoduls 80 in 4 bzw. der Aktoreinheit 84 in 5 könnte jeweils eine Kamera an die entsprechende mechanischen Schnittstelle angekoppelt werden.
Im Betrieb treibt bei den in den 4 und 5 gezeigten Beispielen der Motor in dem Motormodul 12 über die flexible Welle 58 die Antriebsräder des Kettenfahrwerks 50 an, so dass der Miniaturroboter vorwärts durch das Rohr R (in den 4 und 5 nach links) bewegt wird. Ferner können die in den 4 und 5 gezeigten Beispiele ausgebildet sein, um die hierin beschriebenen Funktionalitäten zumindest teilweise zu implementieren. Beispielsweise können bei Erkennen einer Störstelle eine oder mehrere der folgenden Aktionen durchgeführt werden: der Motor kann angehalten werden; die Federn 86 und 88 können gespannt werden; die Aktoreinheit 84 kann betätigt werden, um die Störstelle zu beseitigen, wenn festgestellt wird, dass dies möglich ist; nach dem Beseitigen der Störstelle kann der Motor wieder eingeschaltet werden, um den Miniaturroboter vorwärts zu bewegen; die Antriebseinrichtung kann aus einem ersten Modus, in dem sich der Miniaturroboter vorwärts bewegt, in einen zweiten Modus, in dem sich der Miniaturroboter rückwärts bewegt, umgeschaltet werden; die Feder 72 kann entspannt werden, d.h. in einen eingefahrenen Zustand gebracht werden; die Antriebseinrichtung kann in eine Notentriegelungsmodus geschaltet werden. Für den Notentriegelungsmodus kann es ausreichend sein, das Kettenfahrwerk 50 in einen Leerlaufmodus zu schalten und die Feder 70 zu entspannen. Alternativ kann das Kettenfahrwerk 50 in einen Rückwärtsmodus gebracht werden und die Feder 70 entspannt werden. Der Notentriegelungsmodus soll ermöglichen, dass der Miniaturroboter bei Bedarf rückwärts aus dem Rohr gezogen werden kann.
Wie oben bereits ausgeführt wurde, ist bei Beispielen eine Anpressfeder, wie z.B. die Feder 70, vorgesehen, um die Gleiskette des Kettenantriebs gegen die Rohrwand zu pressen. Dadurch kann eine reibschlüssige Verbindung entstehen und somit der Antrieb gewährleistet werden. Dabei sollte die von der Feder ausgeübte Kraft, wenn möglich, so bemessen sein, dass sie das Durchdrehen der Gleiskette, d.h. der in Kontakt mit der Rohrwand stehenden Fortbewegungseinheit, an der Rohrwand gerade verhindert. Mit anderen Worten sollte die Feder vorzugsweise den minimal benötigen Anpressdruck liefern. Eine weitere Erhöhung der Anpresskraft würde für eine erhöhte Reibung sorgen, die überwunden werden müsste, was wiederum die Geschwindigkeit des Roboters reduzieren würde. Somit ist es vorteilhaft, wenn die Feder ausgelegt ist, um eine möglichst konstante Anpresskraft zu erzeugen, insbesondere eine solche, die den minimal benötigten Anpressdruck liefert. Bei einem Kontakt mit einem Kabel oder beim Durchfahren einer Biegung kann die Feder stärker komprimiert werden als im freien Rohr. Bei einer klassischen Feder, deren Federkraft linear mit der komprimierten Federstrecke zusammenhängt, kann die Anpresskraft der Feder in solchen Fällen zu hoch sein. Vorteilhaft ist es hier, eine Feder zu nutzen, die einen nahezu konstanten Anpressdruck erzeugt, unabhängig von der komprimierten Federstrecke. Dies kann technisch vielfältig realisiert werden. Beispielsweise kann das Prinzip einer Gasdruckfeder genutzt werden oder auch eine hydraulische Anpressung, wo mittels einer Pumpe der benötigte Druck für die Anpressung eingestellt wird. Vorteilhaft ist dabei, dass die Feder so geformt ist, dass sie nicht mit verlegten Kabeln verhaken kann. Dies sollte vorzugsweise sowohl beim Vorwärts- als auch beim Rückwärtsfahren gewährleistet sein. Bei Beispielen kann daher die Feder als ein Bogen gestaltet sein, der beidseitig mit dem Miniaturroboter verbunden ist oder gegebenenfalls zumindest einseitig gleitend gelagert ist. Eine solche bogenförmige Feder kann beispielsweise durch eine Anpressung, die beispielsweise durch eine Gasdruckfeder geliefert wird, mit der Rohrwand verspannt werden.
13 zeigt ein Beispiel eines Miniaturroboters mit dem Kettenantrieb 8, der das Motormodul 12 und das Kettenfahrwerkmodul 14 aufweist, an zwei unterschiedlichen Positionen in einem gebogenen Rohr R. Das Kettenfahrwerkmodul 14 weist eine Feder F auf, die bezüglich der Gleiskette auf der gegenüberliegenden Seite des Kettenfahrwerkmoduls 14 angeordnet ist, um die Gleiskette gegen die Wand des Rohrs R zu pressen. An der ersten Position P₁ befindet sich das Kettenfahrwerkmodul 14 in einem geraden Abschnitt des Rohrs, und an der zweiten Position P₂ befindet sich das Kettenfahrwerkmodul 14 an einem gebogenen Abschnitt des Rohrs R. An der ersten Position P₁ ist die Feder F um die Strecke ΔL weniger komprimiert als an der zweiten Position P₂. Die Strecke ΔL entspricht der Differenz zwischen den verbleibenden Federstrecken, d.h. A - B. Die erzeugte Reibkraft F_REIB hängt von der verbleibenden Federstrecke ab und ist bei einer größeren verbleibenden Federstrecke A kleiner als bei einer geringeren verbleibenden Federstrecke. Um einer unterschiedlichen Reibkraft bei unterschiedlichen verbleibenden Federstrecken entgegenzuwirken und vorzugsweise eine konstante Reibkraft zu liefern, kann die Feder einseitig gleitend gelagert sein, wie dies in dem Block 300 in 13 angedeutet ist. Dabei ist ein Ende der Feder F fest an dem Kettenfahrwerkmodul 14 gelagert, wie bei 302 in 13 gezeigt ist, während das andere Ende der Feder F flexibel an dem Kettenfahrwerkmodul 14 gelagert ist, wie bei 304 in 13 gezeigt ist.
Bei Beispielen ist der Miniaturroboter hinsichtlich einer Untersetzung und dem Wirkungsgrad ausgelegt, um die zur Verfügung stehende Energie bestmöglich zu nutzen und die Geschwindigkeit zu maximieren. Der mechanische Wirkungsgrad beschreibt den prozentualen Anteil der Energie welche in die Vorwärtsbewegung umgesetzt wird in Bezug auf die vom Motor gelieferte Energie. Verluste entstehen durch Reibung, welche durch die flexible Welle, das Getriebe, die 90°-Umlenkung der Rotation, die Lagerung der Antriebsachse und die Feder F, die eine Blattfeder darstellt, verursacht werden. Die Position P₁ in 13 stellt den günstigsten Fall dar und Position P₂ den ungünstigsten. Der günstigste Fall beschreibt das Fahren im waagerechten Rohr. Hier wird die Motorenergie F_Motor idealerweise verlustfrei über die flexible Welle 58 auf das Kettenfahrwerkmodul 14 übertragen. Die Reibungsverluste durch die Blattfeder F sind minimal, wenn der Anpressdruck so bemessen ist, dass der Antrieb gerade nicht durchdreht. Im ungünstigsten Fall befindet sich das Kettenfahrwerkmodul 14 in einer senkrechten Kurve. Hier muss er die Erdanziehungskraft F_G überwinden. Zudem wird die Blattfeder durch die Rohrbiegung um die Strecke ΔL mehr gestaucht, wodurch die Reibungsverluste steigen. Zusätzlich ist die flexible Welle nun gebogen. Dadurch wird die Torsionsbeanspruchung mit einer Biegebeanspruchung überlagert, was eine zusätzliche Kraft F_REIB,_Welle erfordert. Bei Beispielen wird daher die Untersetzung so gewählt werden, dass auch im schlechtesten Fall genügend Drehmoment zur Verfügung steht. Wie oben ausgeführt wurde, besteht eine Möglichkeit, die Reibverluste der Feder in der Kurve zu reduzieren, darin, eine Feder zu konstruieren, welche eine konstante Anpresskraft erzeugt, unabhängig davon wie stark sie zusammengedrückt ist. In Block 300 ist eine mögliche Realisierung gezeigt. Dabei wird die Feder nur an einer Stelle fest gelagert und am zweiten Auflagepunkt gleitend gelagert. Dies erzeugt zwar auch eine größere Anpresskraft bei höherer Kompression der Feder, jedoch nicht so stark wie bei einer beidseitig fest gelagerten Feder. Hinsichtlich möglichst geringer Verluste sollte darauf geachtet werden, dass die flexible Welle 58 exakt senkrecht auf die Achse des Motors im Motormodul 12 und das Getriebe im Kettenfahrwerkmodul 14 montiert wird. Andernfalls wird die Welle auch bei geradem Rohrverlauf immer auf Biegung belastet, wodurch Verluste entstehen. Die 90°-Umlenkung der Rotation kann beispielsweise durch zwei Kegelräder erfolgen. Auch bei der Montage der beiden Kegelräder sowie der Montage der Antriebsachse ist auf eine möglichst reibungslose Lagerung zu achten, da sonst auch hier hohe Reibverluste entstehen können.
Miniaturroboter, bei denen die Antriebseinrichtung ein Kettenfahrwerk aufweist, eignen sich insbesondere auch für Leerrohre. Im Fall von Leerrohren werden die Rohre von Hand gebogen. Dagegen wird im Fall von Wasserrohren und gegebenenfalls auch bei einigen anderen Rohrarten, Rohren bei einer Biegung ein 90°-Winkelstück aufgesteckt.
Ein solches Winkelstück kann einen deutlich geringeren Biegeradius aufweisen als von Hand gebogene Leerrohre. Auf der anderen Seite stellt sich bei Wasserrohren und dergleichen die bei Leerrohren auftretende Problematik von bereits im Rohr verlegten Kabeln nicht. Aus diesem Grund können Wasserrohre und dergleichen andere Anforderungen an das Antriebskonzept stellen wie Leerrohre. Im Fall von Wasserohren und dergleichen kann der Roboter sich in der Regel frei in dem Rohr bewegen. Ein Blockieren durch Kabel ist in der Regel nicht möglich. Jedoch können andere Störstellen, wie z.B. Verstopfungen oder Verkalkungen, ein Wasserrohr blockieren, wobei solche Störstellen durch Beispiele der hierin beschriebenen Miniaturroboter lokalisiert und wenn möglich beseitigt werden können. Auf der anderen Seite ist es möglich, dass sich der Roboter durch geringere Biegeradien bewegen können muss. Hier ist das Konzept mit Motormodul und Antriebswagen weniger sinnvoll, da jede Einheit eine Länge im Bereich von 2 bis 3 cm haben kann. Dies ist unter Umständen zu lang, um durch kleine Biegungen, wie sie zum Beispiel bei Wasserrohren auftreten können, zu kommen. Es wurde herausgefunden, dass es aus diesem Grund vorteilhaft ist, für Rohre mit kleinen Biegeradien aber ohne verlegte Kabel ein alternatives Antriebskonzept zu wählen und dass hierfür ein Inchworm-Antrieb gut geeignet ist. Um eine hohe Flexibilität, was das Durchfahren geringer Biegeradien ermöglicht, zu erreichen, ist es vorteilhaft, zumindest einige der Aktoren nicht starr zu gestalten. Bei Beispielen sind zumindest einige der Aktoren durch Luftkissen implementiert. Durch Befüllen der Kissen mit Luft, oder einem anderen Gas, können die Aktoren ausgedehnt werden, während sich durch Ablassen der Luft die Kissen wieder zusammenziehen. Bei anderen Beispielen können die Kissen statt mit Luft auch mit einer Flüssigkeit gefüllt werden. Eine solche flexible Bauweise ermöglicht es, dass sich der Miniaturroboter auch durch starke Biegungen bewegt.
Nachfolgend werden Beispiele eines Miniaturroboters beschrieben, bei denen die Antriebseinrichtung einen Inchworm-Antrieb aufweist. Ein Inchworm-Antrieb weist generell zwei Queraktoren und einen Längsaktor auf, der zwischen den beiden Queraktoren angeordnet ist. Durch eine periodische Ansteuerung der Aktoren kann eine unstetige Fortbewegung erreicht werden, die an eine Raupe erinnert, daher der Name Inchworm-Antrieb. Die Queraktoren sind ausgelegt, um sich abwechselnd in dem Rohr zu verkeilen, und der Längsaktor ist ausgelegt, um jeweils den Queraktor, der nicht verkeilt ist, zu bewegen.
Zunächst sei auf 6 Bezug genommen, anhand der allgemein das Konzept, das einem Inchworm-Antrieb zugrunde liegt, erläutert wird. Ein Inchworm-Antrieb, der zur Bewegung in einem Rohr R ausgelegt ist, weist drei miteinander verbundene Elemente auf, nämlich zwei Queraktoren und einen Längsaktor, der zwischen den beiden Queraktoren angeordnet ist. Der erste Queraktor ist mit dem Längsaktor verbunden und der zweite Queraktor ist ebenfalls mit dem Längsaktor verbunden. Die Aktoren sind steuerbar, um eine Bewegung des Antriebs in einer Bewegungsrichtung BR, in 6 durch einen Doppelpfeil angezeigt ist, zu bewirken. Bei dem gezeigten Beispiel weisen der erste und der zweite Queraktor jeweils ein erstes und ein zweites Element 100, 102 auf, das steuerbar ist, um eine Änderung der Ausdehnung quer zur Bewegungsrichtung zwischen einer kleinen Ausdehnung und einer großen Ausdehnung zu bewirken. Der Längsaktor ist steuerbar, um entweder das erste oder das zweite Element 100, 102 in Bewegungsrichtung zu bewegen. Wenn das erste bzw. zweite Element 100, 102 die große Ausdehnung aufweisen, stehen sie in Kontakt mit gegenüberliegenden Innenwänden des Rohrs R. Bei dem in 6 gezeigten Konzept weist dabei der Längsaktor ein drittes Element 104 auf, das steuerbar ist, um die Ausdehnung desselben in Bewegungsrichtung zwischen einer großen Ausdehnung und einer kleinen Ausdehnung zu ändern.
6 zeigt schematisch acht Zustände Z1 bis Z8 des Inchworm-Antriebs im Betrieb. Bei Z1 befindet sich der Antrieb in einem Ausgangszustand, in dem das erste und zweite Element 100, 102 die kleine Ausdehnung aufweisen und das dritte Element die große Ausdehnung aufweist. Ausgehend vom Zustand Z1 wird die Ausdehnung des zweiten Elements 102 von der kleinen Ausdehnung in die große Ausdehnung geändert, wodurch das zweite Element 102 mit gegenüberliegenden Innenwänden des Rohrs R in Kontakt kommt, wie durch Zustand Z2 gezeigt ist. Im Anschluss wird die Ausdehnung des dritten Elements auf die kleine Ausdehnung reduziert, wodurch das erste Element 100 bewegt, d.h. nachgezogen, wird, Zustand Z3. Nachfolgend wird die Ausdehnung des ersten Elements 100 in die große Ausdehnung geändert, so dass das erste Element in Kontakt mit gegenüberliegenden Innenwänden des Rohrs R kommt, Zustand Z4. Im Anschluss wird die Ausdehnung des zweiten Elements 102 in die kleine Ausdehnung geändert, so dass das zweite Element 102 nicht mehr in Kontakt mit den gegenüberliegenden Innenwänden des Rohrs R ist, Zustand Z5. Ausgehend vom Zustand Z5 wird die Ausdehnung des dritten Elements 104 in die große Ausdehnung geändert, wodurch das zweite Element 102 bewegt, d.h. vorgeschoben, wird, Zustand Z6. Danach wird die Ausdehnung des zweiten Elements 102 in die große Ausdehnung geändert, so dass das zweite Element 102 in Kontakt mit gegenüberliegenden Innenwänden des Rohrs R kommt, Zustand Z7. Im Anschluss wir die Ausdehnung des ersten Elements 100 reduziert, so dass das erste Element nicht mehr in Kontakt mit den gegenüberliegenden Wänden des Rohrs R ist, Zustand Z8. Der Zustand Z8 entspricht wieder dem Zustand Z2, so dass der Prozess wieder beginnen kann. Im Zustand Z8 wurde der Inchworm-Antrieb verglichen mit dem Zustand Z2 um die Strecke, um die sich die Ausdehnung des dritten Elements 104 ändert, vorwärtsbewegt. Durch eine periodische Wiederholung der Zustände kann somit eine Bewegung des Inchworm-Antriebs entlang des Rohrs R bewirkt werden.
Zusammenfassend weist ein Inchworm-Antrieb drei Elemente auf, von denen zwei jeweils abwechselnd mit gegenüberliegenden Wänden eines Rohrs in Kontakt stehen, während ein drittes, zwischen diesen beiden Elementen angeordnetes Element abwechselnd das Element des ersten und zweiten Elements bewegt, das nicht mit den gegenüberliegenden Seiten des Rohrs in Kontakt steht. Das mit den gegenüberliegenden Wänden in Kontakt stehende Element verkeilt sich und bleibt stationär, während das andere Element bewegt wird.
Die 7 bis 9 zeigen ein Beispiel eines Miniaturroboters 4, beispielsweise des in den 1 und 2 gezeigten Miniaturroboters, bei dem die Antriebseinrichtung 6 einen Inchworm-Antrieb 110 aufweist. Der Miniaturroboter 4 weist bei diesem Beispiel einen modularen Aufbau mit einem Pumpenmodul 112 und einem Antriebsmodul 114 auf. Das Antriebsmodul 114 ist über eine flexible Verbindung 116, die einen Druckschlauch aufweist, mit dem Pumpenmodul 112 verbunden. Das Pumpenmodul 112 weist eine Pumpe auf. Der Inchworm-Antrieb 110 weist einen ersten Queraktor mit einem ersten Element 122, das eine hintere Haltekammer darstellt, einen zweiten Queraktor mit einem zweiten Element 124, das eine vordere Haltekammer darstellt, und einen Längsaktor mit einem dritten Element 126, das eine Vortriebskammer darstellt, auf. Am vorderen Ende der vorderen Haltekammer 124 kann eine Kamera 130 angebracht sein. Wie in 9 gezeigt ist, ist die Haltekammer 122 an einem Trägerelement 132 angebracht und die Haltekammer 124 ist an einem Trägerelement 134 angebracht. Die Trägerelemente 132 und 134 sind mittels der Vortriebskammer 126 in Bewegungsrichtung miteinander verbunden, so dass die Vortriebskammer 126 zwischen den Haltekammern 122 und 124 angeordnet ist.
Wie in den 8 und 9 zu sehen ist, können die Haltekammern 122 und 124 jeweils zwei Teilkammern aufweisen, die auf beiden Seiten der jeweiligen Trägerelemente angeordnet sind. Ein durch die Pumpe des Pumpenmoduls 112 erzeugter Druck kann selektiv an die beiden Haltekammern 122, 124 und die Vortriebskammer 126 angelegt werden. Eine Steuerung (nicht gezeigt) kann vorgesehen sein, um fluidische Schaltvorrichtungen (nicht gezeigt) zu steuern, um über Druckleitungen (nicht gezeigt) selektiv solche Drücke an die Kammern anzulegen, dass eine Bewegung des Miniaturroboters durch das Rohr bewirkt wird. Dabei kann Fluid, beispielsweise Luft oder eine Flüssigkeit, in die Haltekammern 122, 124 gepumpt werden, um diese selektiv auszudehnen, so dass sie mit gegenüberliegenden Innenwänden des Rohrs R in Kontakt kommen, wie schematisch für ein aufgeschnittenes Rohr in den 8 und 9 gezeigt ist. Ferner kann Fluid selektiv aus den Haltekammern 122, 124 abgelassen werden, so dass sie sich zusammenziehen und dadurch nicht mehr mit in Kontakt mit den gegenüberliegenden Wänden des Rohrs R stehen, was einer kleinen Ausdehnung entspricht. Wie in den 8 und 9 gezeigt ist, können die Halterkammern 122, 124 im aufgepumpten Zustand, der einer großen Ausdehnung entspricht, eine Form aufweisen, die an die Kontur der Innenwände des Rohrs R angepasst ist. Bei einem runden Rohr kann die dem Rohr zugewandte Kontur der Haltekammern 122, 124 kugelförmig oder zylindermantelförmig sein. Ferner kann Fluid in die Vortriebskammer 126 gepumpt werden, um die Ausdehnung derselben in Bewegungsrichtung in eine große Ausdehnung zu erhöhen, oder abgelassen werden, um die Ausdehnung derselben in Bewegungsrichtung in eine kleine Ausdehnung zu verringern.
Die Haltekammern 122, 124 können durch jeweilige aufblasbare elastische Kissen aus einem dehnbaren Material implementiert sein, deren Erstreckung quer zur Bewegungsrichtung durch das Einbringen bzw. Ablassen eins Fluids einstellbar ist. Auch die Vortriebskammer 126 kann durch ein elastisches Kissen aus einem dehnbaren Material implementiert sein, dessen Erstreckung durch das Einbringen bzw. Ablassen eines Fluids einstellbar ist.
Obwohl bei dem in 7 gezeigten Beispiel der Miniaturroboter das Pumpenmodul 112 aufweist, kann bei einem alternativen Beispiel das Pumpenmodul 112 nicht vorgesehen sein und das Antriebsmodul 114 kann über eine Druckleitung mit einer außerhalb des Rohrs angeordneten Pumpvorrichtung verbunden sein, so dass Größe und Gewicht des Miniaturroboters, der sich durch das Rohr bewegt, reduziert sein können.
Die 10A bis 10G zeigen schematisch, wie mit einem solchen Inchworm-Antrieb 120 im Betrieb eine Bewegung durch das Rohr R bewirkt werden kann. 10A zeigt den Ausgangszustand, Zustand 0, bei dem die beiden Haltekammern 122, 124 nicht mit den gegenüberliegenden Rohrwänden in Kontakt stehen und die Vortriebskammer die große Ausdehnung aufweist. 10B zeigt Zustand 1, in dem die vordere Haltekammer 124 aufgepumpt ist und somit in Kontakt mit den gegenüberliegenden Rohrwänden steht. Ausgehend von Zustand 1 wird dann Fluid aus der Vortriebskammer 126 abgelassen und ausgehend von diesem Zustand entweder durch einen Unterdruck oder eine andersartig entgegenwirkende Kraft wie einem Rückstellelement, z.B. einer Zugfeder, bewirkt, dass sich die Vortriebskammer 126 zusammenzieht, so dass die hintere Haltekammer 122 bewegt, nämlich nachgezogen, wird, so dass der in 10C gezeigte Zustand 2 erreicht wird. Danach wird die hintere Haltekammer 122 aufgepumpt und steht dann in Kontakt mit gegenüberliegenden Rohrwänden, Zustand 3 in 10D. Nachfolgend wird Fluid aus der vorderen Haltekammer 124 abgelassen, so dass diese nicht mehr in Kontakt mit den gegenüberliegenden Rohrwänden ist, Zustand 4 in 10E. Danach wird Fluid in die Vortriebskammer 126 gepumpt, so dass diese sich in Bewegungsrichtung ausdehnt und damit die vordere Haltekammer 124 bewegt, nämlich vorwärts schiebt. Dadurch wird der in 10F gezeigte Zustand 5 erreicht. Anschließend wird wieder Fluid in die vordere Haltekammer 124 gepumpt, so dass sie in Kontakt mit den gegenüberliegenden Rohrwänden kommt, Zustand 6 in 10G. Ausgehen von Zustand 6 kann dann wieder Fluid aus der hinteren Haltekammer 122 entzogen werden, so dass wieder der in 10A gezeigte Zustand 1 erreicht wird. Die Vorgänge können periodisch wiederholt werden, um den Miniaturroboter durch das Rohr zu bewegen.
Eine Implementierung eines Inchworm-Antriebs, der bei dem in den 1 und 2 gezeigten Miniaturroboter verwendet werden kann und auf einem pneumatischen Prinzip basiert, ist in 11 gezeigt. Alternativ kann der Antrieb auf einem hydraulischen Prinzip basieren, wenn statt Luft (oder einem anderen Gas) eine Flüssigkeit als Druckmittel verwendet wird.
Der in 11 gezeigte Inchworm-Antrieb beruht auf drei linearen Aktoren, von denen zwei quer zur Bewegungsrichtung, also Rohrrichtung positioniert sind, wobei sich ein dritter Aktor (Längsaktor) in Rohrlängsrichtung zwischen den beiden Queraktoren befindet. Durch eine periodische Ansteuerung der drei Aktoren kann wiederum eine unstetige Fortbewegung bewirkt werden, die an eine Raupe erinnert. In 11 ist eine Vorwärtsbewegungsrichtung von links nach rechts.
Der in 11 gezeigte Inchworm-Antrieb weist ein erstes Element 222, ein zweites Element 224 und ein drittes Element 226 auf, das zwischen dem ersten Element 222 und dem zweiten Element 224 angeordnet ist. Das erste Element 222 weist einen ersten Queraktor 232 auf und stellt ein hinteres Halteelement dar. Das zweite Element 224 weist einen zweiten Queraktor 234 auf und stellt ein vorderes Halteelement dar. Der erste Queraktor 232 und der zweite Queraktor 234 weisen jeweils eine aufblasbare Kammer auf, durch die die Ausdehnung des ersten Elements 222 und des zweiten Elements 224 quer zur Bewegungsrichtung so erhöht werden kann, dass das erste Element 222 und das zweite Element 224 abwechselnd mit gegenüberliegenden Wänden des Rohrs R in Kontakt kommen. Die Queraktoren 232 und 234 weisen somit ein dehnbares Material auf, welches durch einen inneren Druck expandiert. Hierdurch können sich die Aktoren im gefüllten Zustand mit der Rohrwand verspannen (verkeilen) und im entspannten Zustand ist eine axiale Fortbewegung fast kraftlos möglich. Das dritte Element 226 weist einen Längsaktor 236 auf, der wie beim elektrischen Konzept für den eigentlichen Vortrieb zuständig ist. Bei dem gezeigten Beispiel weist der Längsaktor einen pneumatisch gesteuerten Kolben 238 und einen Zylinder 240 auf. Die Position des Kolbens 238 ist über umschaltbare Druckleitungen 242 und 244 einstellbar, je nach Druckseite fährt der Kolben 238 aus oder zieht sich ein. Druck kann über eine Druckleitung 246 an den Queraktor 232 angelegt werden und Druck kann über eine Druckleitung 248 an den Queraktor 234 angelegt werden.
Das erste Element 222 ist über eine erste Verbindung 250 mit dem dritten Element 226 verbunden und das zweite Element 224 ist über eine zweite Verbindung 252 mit dem dritten Element 226 verbunden. Die Verbindungen 250 und 252 sind vorzugsweise nicht vollständig starr, sondern drehbar und/oder biegbar, um eine Fortbewegung durch Kurven zu ermöglichen. Bei Beispielen können die Verbindungen ein Kugel- oder Kardangelenk aufweisen. Die Verbindungen 250 und 252 sind jedoch ausreichend starr, um ein Vorschieben bzw. Nachziehen des ersten oder zweiten Elements 222 und 224 zu ermöglichen, wenn sich der Kolben 238 in dem Zylinder 240 bewegt. Die erste Verbindung 250 ist an einer Trägerstrukur des ersten Elements 222 und an einer Trägerstruktur des dritten Elements 226 befestigt. Die zweite Verbindung 252 ist an einer Trägerstruktur des zweiten Elements 224 befestigt und bezüglich des dritten Elements 226 an dem Kolben 238 befestigt.
11 zeigt schematisch pneumatische Strukturen, die zur Ansteuerung der drei Aktoren dienen. Über eine Druckleitung 260 ist der Inchworm-Antrieb mit einer Pumpe verbunden. Bei Beispielen ist die Druckleitung 260 (Schlauch) mit einer außerhalb des Rohrs angeordneten externen Pumpe verbunden. Die Verteilung der fluidischen Leistung kann durch Verteiler, Mikroventile und Druckleitungen, wie z.B. die Leitungen 242, 244, 246 und 248 erfolgen. In 11 sind rein schematisch ein Verteiler 262 und den Queraktoren 232 und 234 zugeordnete Schaltventile (Mikroventile) 264, 266 dargestellt. Ein dem Längsaktor zugeordnetes Schaltventil ist nicht dargestellt. Hierdurch können die beiden Queraktoren 232 und 234 mit Druck beaufschlagt oder entspannt werden und der Kolben 238 kann in dem Zylinder 240 bewegt werden.
Fluidische Verbindungen zur Druckübertragung und elektrische Verbindungen, z.B. zum Leiten von Schaltströmen zum Schalten der Ventile zwischen den Teilkomponenten, können durch Schläuche und Kabel implementiert sein. Eine Steuerung zur periodischen Ansteuerung der Aktoren kann durch einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor realisiert sein, wobei die Steuerung ausgelegt sein kann, um die hierein beschriebenen Funktionalitäten zumindest teilweise zu implementieren. Die Steuerung kann beispielsweise durch die in 2 gezeigte Steuerung 24 gebildet sein. Die Steuerung kann entweder auf einer der Komponenten des Miniaturroboters oder auch außerhalb des Rohres untergebracht sein.
Bezugnehmend auf die 12A bis 12E wird im Folgenden die Ansteuerung der drei Aktoren 232, 234 und 236 zum Bewirken der Fortbewegung des Antriebs in dem Rohr R beschrieben. Die 12A bis 12E zeigen jeweils auf der linken Seite den Inchworm-Antrieb in dem Rohr R und auf der rechten Seite eine Pumpe P zum Liefern eines Drucks, Zustände jeweiliger Schaltventile SV1, SV2 und SV3 und jeweilige Zustände der drei Aktoren 232, 234 und 236. Das Schaltventil SV1 ist dem ersten Queraktor 232 zugeordnet, das Schaltventil SV2 ist dem zweiten Queraktor 234 zugeordnet und das Schaltventil SV3 ist dem Längsaktor 236 zugeordnet.
12A zeigt den Ausgangszustand, in dem die Schaltventile SV1 und SV2 in einem Schaltzustand sind, in dem die beiden Queraktoren 232 und 234 entspannt sind und somit nicht mit den gegenüberliegenden Rohrwänden verspannt bzw. verkeilt sind. Das Schaltventil SV3 ist geschaltet, um Druck über die Leitung 242 in den Zylinder 240 zuzuführen, so dass sich der Kolben 238 im ausgefahrenen Zustand befindet. Ausgehend von diesem Zustand wird das Schaltventil SV2 umgeschaltet, so dass der vordere Queraktor 234 mit Druck beaufschlagt wird, sich aufgrund der Druckbeaufschlagung ausdehnt und mit der Rohrwand verkeilt. Dieser Zustand ist in 12B gezeigt. Im Anschluss wird das Schaltventil SV3 geschaltet, so dass Druck über die Leitung 244 zu dem Zylinder 240 zugeführt wird. Dadurch wird der Kolben 238 in dem Zylinder 240 in den eingefahrenen Zustand bewegt, wodurch das erste Element 222 des Inchworm-Antriebs über die erste Verbindung 250 in Richtung zu dem dritten Element 226 hin bewegt wird, d.h. der hintere Teil des Inchworm-Antriebs wird nachgezogen. Der sich ergebende Zustand ist in 12C gezeigt. Danach wird das Schaltventil SV1 umgeschaltet, so dass der hintere Queraktor 232 mit Druck beaufschlagt wird, sich aufgrund der Druckbeaufschlagung ausdehnt und mit der Rohrwand verkeilt. Danach oder gleichzeitig wird das Schaltventil SV2 umgeschaltet, so das der vordere Queraktor 234 nicht mehr mit einem Druck beaufschlagt wird, sich entspannt und dadurch nicht mehr mit der Rohrwand verkeilt ist. Es findet somit ein Verkeilwechsel zwischen den beiden Queraktoren 232 und 234 statt. Der sich ergebende Zustand ist in 12D gezeigt. Im Anschluss wird das Schaltventil SV3 betätigt, so dass die Druckbeaufschlagung des Zylinders 242 wieder über die Druckleitung 242 stattfindet. Dadurch wird der Kolben 238 in den ausgefahrenen Zustand umgeschaltet. Durch die Bewegung des Kolbens 238 wird über die zweite Verbindung 252 das zweite Element des Inchworm-Antriebs vorwärts bewegt, d.h. der vordere Teil des Inchworm-Antriebs wird vorgeschoben.
Durch eine entsprechende periodische Ansteuerung der Aktoren kann sich der Inchworm-Antrieb durch das Rohr bewegen. Jeweils zwischen einem Verkeilwechsel der Queraktoren findet dabei eine Betätigung des Längsaktors statt. Bezugnehmend auf die 12A bis 12E wurde die Bewegung in eine Richtung beschrieben. Eine Umkehr der Bewegungsrichtung ist ebenfalls möglich, indem die Betätigung des Längsaktors invertiert wird, d.h. indem der Kolben in den ausgefahrenen Zustand gebracht wird, während der der Queraktor 234 verkeilt ist, und in den eingefahrenen Zustand gebracht wird, während der Queraktor 232 verkeilt ist.
Ein Vorteil eines pneumatischen Inchworm-Antriebs ist die einfache und kostengünstige Realisierung der Versorgung und des Netzwerkes sowie die Möglichkeit das Arbeitsmedium bei Kontraktion eines Aktors in das Rohr abzulassen. Wie beschrieben besteht der Inch-Worm-Antrieb prinzipiell aus drei miteinander verbundenen Teilkomponenten, mit jeweils einem der beschriebenen Aktoren, sowie einer entsprechenden Steuerung, um die Aktoren zu betätigen.
Wie oben beschrieben wurde, können Beispiele des Miniaturroboters eine Aktoreinheit mit einem Aktor aufweisen. Dies gilt sowohl für Miniaturroboter mit Kettenantrieb als auch für Miniaturroboter mit Inchworm-Antrieb. Kleine Störstellen, wie beispielsweise Verschmutzungen durch Staubansammlungen in Rohrbiegungen, oder andere Materialen, wie z.B. Gips oder Kalk, kann der Miniaturroboter mittels einer solchen, beispielsweise aufsteckbaren, Aktoreinheit selbst beseitigen. Der Aktor kann dabei je nach vorhandenen Rohrbiegungen entweder direkt am Antriebswagen, d.h. der Antriebseinrichtung, angebracht werden oder mit einer flexiblen Verbindung vor den Antriebswagen gespannt werden (hier können engere Biegeradien durchfahren werden). Der Aktor kann dabei ausgelegt sein, um abrasiv durch drehende, vibrierende oder stoßende Bewegungen zu arbeiten. Zum Abtragen des Materials kann ein schmirgelnder, ein schneidender oder ein spitzer Aufsatz, beispielsweise ähnlich einem Meisel, genutzt werden. Im Falle einer flexiblen Verbindung zwischen Antriebswagen und einem Aktormodul, das die Aktoreinheit trägt, wird bei Beispielen das Aktormodul mit der Rohrwand verkeilt, damit die Aktoreinheit bei der Störstellenbeseitigung nicht nach hinten gedrückt wird. Dies kann realisiert werden, indem eine Feder des Aktormoduls, die gegen die Rohrwand drückt, ausgelegt ist, um versteift zu werden. Diese Versteifung kann vielfältig implementiert werden. Beispielsweise kann die Feder durch eine Formgedächtnis-Legierung realisiert sein. Durch einen Stromfluss in der Feder kann die Feder erhitzt werden, wodurch sich ihre Geometrie ändert. Die Feder kann somit so gestaltet werden, dass sie durch Erhitzen versteift. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Federaufnahme im Miniaturroboter durch einen Aktor anzuheben. Dadurch kann die Feder in Richtung Rohrwand bewegt werden, wodurch die Feder stärker komprimiert wird und somit eine stärkere Anpresskraft erzeugt. Das Anheben der Federaufhängung kann wiederum durch eine Vielzahl von Aktorprinzipien geschehen. Gut geeignet ist auch hier aufgrund der hohen erzeugbaren Kräfte ein Aktor, der eine Formgedächtnis-Legierung aufweist.
Zum Durchqueren dieser kleinen Leerohrquerschnitte eignen sich elektromagnetische Miniaturmotoren mit einem Durchmesser von maximal 6 mm. Solche Miniaturmotoren liefern hohe Umdrehungszahlen (>10.000 1/min) bei kleinem Drehmoment (< 1 Nm). Bei einem Robotergewicht von beispielsweise ca. 50 g ist eine Kraft größer 500 mN nötig, damit der Miniaturroboter ein senkrechtes Leerrohr hinauffahren kann. Bei Beispielen kann das Motormodul einen solchen Miniaturmotor aufweisen. Zur Wandlung der mechanischen Leistung des Motors könnte ein Getriebe direkt an den Motor geflanscht werden, um eine optimale Kraftübertragung zu gewährleisten. Die Verbindung aus Motor und Getriebe würde aber eine maximale Gesamtlänge von 3 cm übersteigen. Deshalb sind bei Beispielen Motor und Getriebe mit Kettenfahrwerk in zwei verschiedene Blöcke (Module) eingebaut und über eine flexible Welle miteinander verbunden. Die flexible Welle überträgt die mechanische Leistung vom Motor auf das Getriebe, ist jedoch quer zur Fahrtrichtung biegbar. Zur Vermeidung von Schlupf kann die Gleiskette oder können die Gleisketten des Kettenfahrwerkmoduls durch eine Blattfeder gegen die Rohrinnenwand vorgespannt werden.
In älteren Häusern kommt es häufig vor, dass Gebäudepläne nicht existieren. Bei Beispielen kann der Miniaturroboter ortsauflösende Sensoren aufweisen, wobei es mit einem Sensorfusions-Modul möglich ist, den Verlauf der Gebäudeelektrifizierung nachzuvollziehen. Bei der Sensorfusion werden während der Fahrt gemessene Sensordaten wie z.B. Beschleunigung, Drehrate, Luftdruck, Magnetfeld und zurückgelegter Weg ermittelt und über einen entsprechenden Algorithmus miteinander verrechnet. Auch andere Informationen können genutzt werden, so liefert z.B. die Länge der eingezogenen Zugschnur ein Maß für den zurückgelegten Weg. Mit den gewonnenen Daten ist es möglich, einen digital verwertbaren dreidimensionalen Plan zu erstellen, d.h. der Verlauf der Rohre, beispielsweise der Leerrohre, kann in einen digitalen Bauplan eingezeichnet werden. Soll das Gebäude neu elektrifiziert werden, ermöglicht die Kartierung beispielsweise ein einfaches Abschätzen der benötigten Leitungslänge oder weist auf Engstellen aktueller Kabelkanäle hin. Weiterhin kann bei Umbaumaßnahmen auf verlegte Leitungen Rücksicht genommen werden.
Beispiele sind auf Miniaturroboter zur Bewegung in Rohren gerichtet. Unter der Bezeichnung Rohre können dabei auch andere Hohlräume verstanden werden, die ein entsprechend geringes lichtes Maß aufweisen, wie z.B. abgehängten Decken. Beispiele können wie beschrieben mit aktorischen und sensorischen Funktionalitäten ausgestattet werden, wodurch sich eine Vielzahl von Anwendungen ergeben. Die einzelnen Funktionalitäten können als Module jeweils über eine flexible (biegsame) Welle miteinander verbunden werden, so dass die einzelnen Module unter der kritischen Gesamtlänge bleiben.
Beispiele ermöglichen die Erkennung von Beschädigungen oder Störstellen an verlegten Rohren, wie z.B. Leerrohren oder Wasserrohren. Häufige Ursachen für Beschädigungen sind durch Bohrarbeiten oder Nägel verursacht. Störstellen durch Schmutzeinlagerungen in Knickstellen werden oft durch Bauarbeiten verursacht. Eine weitere „Störstelle“ stellen Verteilerdosen dar. Ist ein Leerrohr durch eine Verteilerdose unterbrochen, so verfängt sich die Spirale oft darin und kann nicht in das weiterführende Leerrohr weitergleiten. Der Elektroinstallateur sieht hier nur, dass die Spirale blockiert. Er kann nicht differenzieren, ob dies durch eine Verteilerdose, eine Beschädigung bzw. Verunreinigung oder eine zu starke Biegung des Rohres verursacht ist. Bei Beispielen ermöglicht eine Funktionserweiterung des Miniaturroboters die Detektion der Stör-/Engstelle oder Beschädigung bzw. Verunreinigung im Rohrinneren, ohne ein Öffnen des Mauerwerks. Hierzu wird bei Beispielen ein Kameramodul am Roboter befestigt. Das so erzeugte Bild kann mit Hilfe eines Computers ausgewertet werden. Die Sensorfusion kann dabei Anhaltspunkte zur Position der Störung liefern. Zur genauen Auffindung der Störung kann ein am Roboter befindlicher Sender dienen, der von einem außerhalb der Wand befindlichen Ortungsgerät genau detektiert wird. Nach der Ortung der Störstellen ist bei Beispielen der Miniaturroboter bei kleinen Störstellen, wie z.B. Dreck, in der Lage, diese selbst zu beseitigen. Hierzu kann der Miniaturroboter mit weiteren aktorischen Hilfsmitteln ausgestattet sein oder werden. Solche Hilfsmittel können durch das modulare Konzept über eine flexible Welle und dem Steckverbinder mit dem Roboter verbunden werden. Beispiele ermöglichen das Überwachen (Monitoring) von Anlagen. Üblicherweise erfolgt hier die Inspektion mittels Endoskopkameras, die eine maximale Länge von 6 m aufweisen, was in vielen Fällen nicht ausreicht. Für eine solche Überwachung kann der Miniaturroboter mit einer Kamera oder auch einer Wärmebildkammer ausgestattet sein oder werden. Beispiele können für den Einsatz in Abwasserrohren oder Telekommunikationsleitungen ausgelegt sein. Gerade Telekommunikationsleitungen sind sehr häufig in unterirdischen Rohren verlegt. Wo die Verwendung einer Spirale oder ein Einschießen mit Druckluft nicht möglich ist, müssen mitunter Straßen geöffnet werden, um Engstellen zu beseitigen. Hier können Beispiele der vorliegenden Offenbarung Abhilfe schaffen.
Bei Beispielen weist der Miniaturroboter mehrere Sensoren auf, wobei die Sensordaten der Sensoren zusammen verwendet werden können, um die Position zu ermitteln. Das Zusammenschalten mehrerer einzelner Sensordaten geschieht durch eine Sensordatenfusion. Die Sensordatenfusion kann auf der optimalen Zustandsschätzung von stochastischen und dynamischen Prozessen basieren, beispielsweise unter Verwendung eines Kalman-Filters. Eine entsprechende Kombination mehrerer Sensoren im Bereich der Lokalisierung ist heutzutage üblich. Neben der Ermittlung der aktuellen Position und Ausrichtung, d.h. dem aktuellen Zustand, kann auch eine Karte aufgebaut werden, wobei SLAM-Verfahren (Simultaneous Localization and Mapping = Simultane Positionsbestimmung und Kartierung) verwendet werden können.
Beispiele des Miniaturroboters sind für eine Datenübertragung auf der Versorgungsleitung, über die der Miniaturroboter mit elektrischer Energie versorgt wird, ausgelegt. Es gibt mehrere Möglichkeiten um Daten auf eine Versorgungsleitung zu modulieren. Beispielsweise wird bei einer sequentiellen Datenübertragung periodisch zwischen Energieübertragung und Datenübertragung gewechselt, d.h. es werden nie gleichzeitig Energie und Daten auf der Leitung übertragen. Mittels eines Energiespeichers (Pufferkapazität oder Akkumulator) kann der Miniaturroboter mit Energie versorgt werden, während Daten übertragen werden. Während der Energieübertragung kann der Energiespeicher wieder nachgeladen werden. Eine zweite Option ist eine gleichzeitige Übertragung von Daten und Energie. Dabei werden das hochfrequente Datensignal und die DC-Versorgungsspannung überlagert. Das Datensignal ist dabei hochfrequent, so dass der Verbraucher, wie z.B. der Motor nicht von der Modulation gestört wird. Das Datensignal kann durch eine Koppelkapazität oder einen Transformator in die Versorgungsleitung eingekoppelt und auf dem gleichen Wege auch wieder ausgekoppelt werden. Die sequentielle Datenübertragung ist dabei weniger störanfällig, da die Datensignale mit der vollen Amplitude der Versorgungsspannung übertragen werden, während bei den Verfahren der kontinuierlichen Datenübertragung die Amplitude relativ gering ist. Allerdings wird bei der sequentiellen Datenübertragung ein Energiespeicher benötigt. Bei Beispielen können beliebige Modulationsarten verwendet werden, um das Nutzsignal auf das Trägersignal aufzumodulieren. Dabei wird zuerst ein Trägersignal (Taktsignal) mit den oben beschriebenen Methoden der Versorgungsspannung überlagert. Auf dieses Trägersignal können nun Daten aufmoduliert werden. Bei der Amplitudenmodulation wird die Amplitude des Trägersignals beispielsweise abgeschwächt, wenn eine logische „Null“ übertragen werden soll bzw. die Amplitude bleibt unverändert, wenn eine logische „Eins“ übertragen werden soll. Es ist auch möglich, die Daten durch Frequenzmodulation oder Phasenmodulation auf das Trägersignal zu modulieren. Zudem gibt es eine Vielzahl an Abwandlungen bzw. auch Kombinationen der Verfahren (QFSK, QAM, APSK uvm.), die verwendet werden können und die die Datenrate bzw. die Störanfälligkeit verbessern. Dabei kommen insbesondere solche Übertragungsprotokolle in Betracht, die für eine robuste Übertragung auf ungeschirmten Kabeln mit Längen von mehr als 10 Metern geeignet sind.
Bei alternativen Beispielen kann der Miniaturroboter für eine Funkübertragung ausgelegt sein. Auch hier gibt es mannigfaltige Übertragungsmöglichkeiten. Diese unterscheiden sich hauptsächlich in den Aspekten Energieverbrauch, Reichweite, Bitrate und Sicherheit. Entscheidend ist hier die Bitrate, die sich aus den Anforderungen der Sensorfusion ergibt. Vorteilhaft ist ein Funkprotokoll, das direkt von einem externen Endgerät, wie z.B. einem Computer oder einem Tablet, verarbeitet werden kann. Hier wäre beispielsweise der Einsatz der Technologie „Bluetooth Low Energy“ denkbar.
Es bedarf keiner separaten Erwähnung, dass der Miniaturroboter bzw. die Module desselben neben den beschriebenen Komponenten Gehäuseteile und Trägerteile aufweisen, auf bzw. an denen die Komponenten angeordnet sind, und die einen Körper des jeweiligen Moduls bilden. Diese sind insbesondere ausgelegt, um einen Einsatz des Miniaturroboters auch bei den minimalen Rohrinnendurchmessern von bis zu 12 mm einzusetzen, wobei insbesondere auch die Langzeitstabilität im Fokus steht. Bei Beispielen ist der Miniaturroboter mechanisch sehr robust ausgelegt und sowohl staubdicht als auch spritzwasserfest.
Beispiele des Miniaturroboters können für eine sensorgesteuerte Umfahrung verlegter Kabel ausgelegt sein. Zu diesem Zweck ist bei Beispielen der Miniaturroboter lenkbar, wobei eine Lenkbarkeit beispielsweise durch ein Differentialgetriebe oder die Möglichkeit, mittels einer Kupplung eine Antriebsseite kurzzeitig komplett vom Antriebsstrang zu lösen, implementiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Front des Miniaturroboters so gestaltet werden, dass er sich automatisch von Kabeln wegdreht, sobald er Kontakt mit diesen aufnimmt. Der Aufbau kann dabei so ausgelegt sein, dass der Roboter in eine leichte Seitwärtsrotation kommt, sobald er auf einen Widerstand trifft. Beispielsweise kann zu diesem Zweck die vordere Spitze des Miniaturroboters konisch sein. Wie oben bereits ausgeführt wurde, besitzt bei Beispielen der Miniaturroboter eine Notentriegelung, die die Möglichkeit bietet, den Miniaturroboter wieder aus dem Rohr zu ziehen. Dazu kann beispielsweise der Antrieb, wie z.B. die Gleiskette in den Leerlauf geschaltet werden. Dies kann z.B. realisiert werden, indem das Getriebe um einige Millimeter zurückgezogen wird, wodurch es nicht mehr mit der Antriebsachse verbunden ist, so dass diese frei drehen kann.
Es bedarf keiner separaten Erläuterung, dass der Miniaturroboter eine geeignete Elektronik aufweist, um die beschriebenen Funktionalitäten zu implementieren. Dabei ist die Elektronik so klein wie möglich zu realisieren. Bei Beispielen ist der Miniaturroboter ausgelegt, um kabelgebunden mit der externen Vorrichtung zu kommunizieren. Hierbei sollte die Anzahl der Kabel möglichst reduziert sein, da jedes Kabel zusätzliches Gewicht bedeutet, das befördert werden muss. Daher erfolgt bei Beispielen die Datenübertragung über die Versorgungsleitung, statt über ein separates Datenkabel.
Als Sensoren zur Lokalisierung können bei Beispielen MEMS-Inertialsensoren verwendet werden, da diese sehr klein und kostengünstig sind und von der Umgebung losgelöst eine Positionsschätzung ermöglichen. Durch Anwendungs-Einschränkungen kann die Anzahl der Freiheitsgrade bei der Inertial-Navigation reduziert werden, so dass Probleme hinsichtlich eines Driftens der Position und die Zeit, in der eine sinnvolle Positionsbestimmung allein mittels der Inertialsensoren möglich ist, deutlich verlängert werden kann. Bei dem Miniaturroboter im Rohr können z.B. die Bewegungseinschränkungen ausgenutzt werden, da die Bewegung durch den Rohrverlauf vorgegeben ist. Um eine Kompensation der auch von den Beschleunigungssensoren gemessenen Gravitation zu ermöglichen, kann eine Neigungsbestimmung durchgeführt werden. Des Weiteren könnten kurze Fortbewegungspausen in gewissen Abständen genutzt werden, um das Driftproblem stark zu reduzieren. Da in der Regel aber eine Drift bei der reinen Inertial-Navigation unvermeidbar ist, bietet sich eine Kombination mit weiteren Informationen, wie z.B. die abgerollte Zugschnurlänge, an. Für die Fusion aller Sensormessungen und von Kontextinformationen kann ein Filter verwendet werden, dass die Daten möglichst statistisch optimal kombiniert. Dies kann z.B. in Form eines (nicht linearen) Kalman-Filters erfolgen. Dabei kann auf der Grundlage von mehreren aus erfasster Länge des Kabelauszugs, erfassten Radumdrehungen der Antriebsräder, Ausgangssignalen der Sensoreinheit (wie z.B. der Inertialsensoren) und Ausgangssignalen der Sensorik (Umfeldsensorik) basierend auf einer initialen Schätzung eine rekursive Schätzung des dynamischen Fahrzustands unter Verwendung von Prädiktion und Korrektur, beispielsweise mittels eine Kalman-Filters, durchgeführt werden. Zu beachten ist dabei, dass die Messungen synchronisiert sind und die Koordinatensysteme der Sensoren entsprechend zueinander kalibriert sind, so dass sich die Messungen nicht widersprechen. Über die Umfeldsensorik des Miniaturroboters, wie z.B. optisch oder durch Ultraschall, können Hindernisse, z.B. verlaufende Kabel, erkannt werden. In einem 3D-Umfeld-Modell können mögliche Hindernisse verfolgt werden. Entsprechend des Modells sowie der Positionsinformation kann die Fortbewegung gesteuert werden. Während die Navigation im Allgemeinen (mit Hinderniserkennung und Ausweichen) sehr komplex ist, vereinfacht sich die Problemstellung bei der Bewegung im Rohr. Trotzdem ist bei Beispielen ein Regelwerk formuliert, das es dem System ermöglicht, autonom die Entscheidung über das weitere Vorgehen bzw. den zu wählenden Weg zu troffen. Insbesondere kann auch die mögliche Sichtweite durch Biegungen sehr eingeschränkt sein, weshalb eine vorausschauende Navigation wichtig ist.
Es bedarf keiner separaten Erläuterung, dass alle hierein beschriebenen Beispiele eines Miniaturroboters mit einer Steuerung wie sie beispielsweise bezugnehmend auf 2 beschrieben wurde, versehen sein können, die ausgelegt ist, um den Miniaturroboter zu steuern, um die hierin beschriebenen Funktionalitäten zumindest teilweise zu implementieren.
Beispiele schaffen somit einen Miniaturroboter, der ein selbstbewegtes Inspektionssystem für Kleinstrohre darstellt, wobei eine Antriebseinrichtung einen Kettenantrieb, beispielsweise für eine kompakte Bauweise und ein Verhindern eines Verkeilens, oder einen Inchworm-Antrieb (hydraulisch oder pneumatisch), beispielsweise für enge Biegeradien, aufweist. Beispiele nutzen Sensorfusion zur Eingrenzung des Suchbereichs, beispielsweise auf ein bestimmtes Zimmer und eine bestimmte Wand. Beispiele ermöglichen dann die genaue Lokalisierung mittels eines Senders und eines Handsuchgeräts, ähnlich einem Kabelfinder. Beispiele weisen ein kamerabasiertes Inspektionssystem. Beispiele ermöglichen eine aktorische Störstellenbeseitigung für Kleinstrohre. Beispiele ermöglichen eine autonome Steuerung, um Kabel und Hindernisse zu umfahren.
Beispiele beziehen sich auf Miniaturroboter und Systeme, die konfiguriert sind, um die hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen und die beschriebenen Funktionalitäten zu implementieren. Solche Systeme können eine oder mehrere der oben beschriebenen Komponenten aufweisen, die jeweils ausgelegt sind, um die beschriebenen Funktionalitäten zu implementieren. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung/eines Systems bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung/eines Systems betrachtet werden kann. Ferner klar, dass, wenn einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann.
Die vorhergehende Offenbarung liefert Veranschaulichungen und Beschreibungen, es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass dieselbe erschöpfend ist oder die Implementierungen auf die offenbarte präzise Form eingeschränkt sind. Modifikationen und Variationen sind im Hinblick auf die obige Offenbarung möglich oder können aus der Praxis der Implementierungen erhalten werden. Obwohl bestimmte Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen angeführt und/oder in der Beschreibung offenbart sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Merkmale die Offenbarung möglicher Implementierungen einschränken. Tatsächlich können zahlreiche dieser Merkmale auf Weisen kombiniert werden, die nicht spezifisch in den Patentansprüchen angeführt und/oder in der Beschreibung offenbart sind. Obwohl jeder der unten angeführten abhängigen Patentansprüche möglicherweise nur von einem oder einigen Patentansprüchen direkt abhängt, umfasst die Offenbarung möglicher Implementierungen jeden abhängigen Patentanspruch in Kombination mit allen anderen Patentansprüchen in dem Satz von Patentansprüchen.
Die oben beschriebenen Beispiele sind nur darstellend für die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Einzelheiten, die beschrieben sind, für Fachleute offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nur durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die zum Zweck der Beschreibung und Erklärung der Beispiele dargelegt sind, begrenzt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10133484 A1 [0005]

Claims

Miniaturroboter zum Bewegen durch ein Rohr mit einem lichten Maß von maximal 100 mm, mit folgenden Merkmalen: einer Antriebseinrichtung, die ausgelegt ist, um den Miniaturroboter entlang der Innenwand des Rohrs zu bewegen, wobei die Antriebseinrichtung a) einen Kettenantrieb, der ein Motormodul und ein Kettenfahrwerkmodul mit einem Kettenfahrwerk aufweist, die über eine flexible Verbindung verbunden sind, oder b) einen Inchworm-Antrieb aufweist.
Miniaturroboter nach Anspruch 1, bei der die Antriebseinrichtung den Kettenantrieb, wobei das Kettenfahrwerk zumindest eine Gleiskette aufweist, die ausgelegt ist, um auf einer Seite mit der Innenwand des Rohrs in Kontakt zu stehen, wobei das Kettenfahrwerkmodul eine Feder aufweist, die ausgelegt ist, um auf der gegenüberliegenden Seite gegen eine Innenwand des Rohrs zu drücken, um die zumindest eine Gleiskette gegen die gegenüberliegende Innenwand des Rohrs zu drücken.
Miniaturroboter nach Anspruch 2, bei der die Gleiskette ein Elastomermaterial aufweist, und/oder bei der die Gleiskette Riffel in einem Winkel zu einer Bewegungsrichtung der Gleiskette aufweist.
Miniaturroboter nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Feder ausgelegt ist, um unabhängig vom Komprimierungsgrad der Feder in einem Betriebsbereich der Feder einen minimal benötigten, vorzugsweise konstanten Anpressdruck gegen die Innenwand des Rohrs zu bewirken.
Miniaturroboter nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Feder einen pneumatischen oder hydraulischen Druckzylinder aufweist, der ausgelegt ist, um die Feder gegen die Innenwand des Rohrs zu drücken, oder bei dem die Feder eine Formgedächtnislegierung aufweist.
Miniaturroboter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Feder eine bogenförmige Blattfeder ist, wobei beide Seiten der Feder fest an einem Körper des Kettenfahrwerkmoduls angebracht sind, oder wobei eine Seite der Feder fest an dem Körper des Kettenfahrwerkmoduls angebracht ist und die andere Seite der bogenförmigen Feder gleitend an dem Körper des Kettenfahrwerkmoduls gelagert ist.
Miniaturroboter nach Anspruch 1, bei der die Antriebseinrichtung den Inchworm-Antrieb aufweist, wobei der Inchworm-Antrieb einen ersten Queraktor, einen zweiten Queraktor und einen Längsaktor aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Queraktor angeordnet ist, wobei der erste und zweite Queraktor ausgelegt sind, um sich abwechselnd in dem Rohr zu verkeilen, und der Längsaktor ausgelegt ist, um jeweils den Queraktor, der nicht verkeilt ist, zu bewegen.
Miniaturroboter nach Anspruch 7, bei dem der erste Queraktor, der zweite Queraktor und/oder der Längsaktor eine Formgedächtnislegierung aufweisen.
Miniaturroboter nach Anspruch 7 oder 8, bei dem eine Ausdehnung des ersten Queraktors und des zweiten Queraktors quer zur Bewegungsrichtung pneumatisch oder hydraulisch einstellbar ist und bei dem der Längsaktor pneumatisch oder hydraulisch betätigbar ist.
Miniaturroboter nach Anspruch 9, bei dem der erste Queraktor und der zweite Queraktor ein elastisches Kissen aufweisen, dessen jeweilige Ausdehnung durch Einbringen und Entnehmen eines Fluids eingestellt werden kann, und bei dem der Längsaktor einen in einem Zylinder hydraulisch oder pneumatisch bewegbaren Kolben aufweist.
Miniaturroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Antriebseinrichtung ausgelegt ist, um zwischen einem ersten Modus, in dem der Miniaturroboter in einer ersten Richtung bewegt wird, und einem zweiten Modus, in dem der Miniaturroboter in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung bewegt wird, umzuschalten.
Miniaturroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Antriebseinrichtung ausgelegt ist, um in einen Notentriegelungsmodus geschaltet zu werden, in dem ermöglicht ist, dass der Miniaturroboter unter Verwendung eines Zugmittels aus dem Rohr gezogen wird.
Miniaturroboter nach Anspruch 12, bei dem die Antriebseinrichtung das Kettenfahrwerk aufweist, wobei in dem Notentriegelungsmodus das Kettenfahrwerk in einen Leerlaufmodus geschaltet wird, die Antriebseinrichtung das Kettenfahrwerk und eine oder die Feder aufweist, wobei in dem Notentriegelungsmodus die Feder entspannt wird, die Antriebseinrichtung das Kettenfahrwerk und eine oder die Feder mit einem hydraulischen oder pneumatischen Druckzylinder aufweist, wobei in dem Notentriegelungsmodus der hydraulische oder pneumatische Druckzylinder in einen eingefahrenen Zustand gebracht wird, oder die Antriebseinrichtung den Inchworm-Antrieb nach Anspruch 7 aufweist, wobei in dem Notentriegelungsmodus die Ausdehnungen des ersten und zweiten Queraktors eingestellt werden, um nicht mit den gegenüberliegenden Innenwänden des Rohrs verkeilt zu sein.
Miniaturroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der eine Aktoreinheit aufweist, die in einer Vorwärtsbewegungsrichtung vor der Antriebseinrichtung angeordnet ist, wobei die Aktoreinheit ausgelegt ist, um drehende, vibrierende oder stoßende Bewegungen durchzuführen, um Störstellen in dem Rohr zu beseitigen.
Miniaturroboter nach Anspruch 14, bei dem die Aktoreinheit über eine flexible Verbindung mit der Antriebseinrichtung verbunden ist, wobei die Aktoreinheit zumindest eine Federeinrichtung aufweist, die ausgelegt ist, um mit einer Innenwand des Rohrs in Kontakt zu stehen und die Aktoreinheit in dem Rohr zu verkeilen, wobei die Aktoreinheit ausgelegt ist, um eine Störstelle in dem Rohr zu beseitigen, während die Aktoreinheit in dem Rohr verkeilt ist.
Miniaturroboter nach Anspruch 15, bei dem die Federeinrichtung der Aktoreinheit eine Formgedächtnis-Legierung aufweist, wobei die Federeinrichtung ausgelegt ist, um mittels eines Stromflusses durch die Formgedächtnis-Legierung versteift zu werden, um die Aktoreinheit in dem Rohr zu verkeilen.
Miniaturroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem ein vorderes Ende des Miniaturroboters derart ausgestaltet ist, dass der Miniaturroboter in eine Seitwärtsrotation kommt, wenn er auf einen Widerstand trifft, so dass der Widerstand wenn möglich autonom umfahren werden kann.
Miniaturroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, der lenkbar ausgebildet ist, so dass eine Bewegungsrichtung des Miniaturroboters geändert werden kann, um einem Hindernis oder einer Störstelle in dem Rohr auszuweichen.
Miniaturroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, der ferner eine Sensorik aufweist, die ausgelegt ist, um Inspektionsdaten zu liefern, die eine Inspektion des Rohrs und/oder eine Erfassung von in Bewegungsrichtung vor dem Miniaturroboter angeordneten Hindernisse ermöglichen, wobei die Sensorik einen optischen Sensor, eine Kamera, einen Ultraschallsensor und/oder einen Radarsensor aufweist.
Miniaturroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, der zumindest eine Sensoreinheit aufweist, die ausgelegt ist, um Messdaten zu liefern, die zu einer Lokalisierung des Miniaturroboters verwendbar sind, wobei die Sensoreinheit einen oder mehrere der folgenden Sensoren aufweist: Inertialsensoren, optische Sensoren, Drehratensensoren, Barometer, Magnetfeldsensoren, und Wegmessungssensoren.
Miniaturroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 20, der eine oder die Steuerung aufweist, die ausgelegt ist, um die Antriebseinrichtung zu steuern, und/oder um aufgenommene Messdaten und/oder Inspektionsdaten zu einem externen Empfänger zu übertragen und/oder Steuerdaten zur Steuerung des Miniaturroboters von einem externen Sender zu empfangen.
System mit folgenden Merkmalen; einem Miniaturroboter nach Anspruch 21, einem Prozessor, der ausgelegt ist, um die Messdaten von dem Miniaturroboter zu empfangen, und um unter Verwendung der Sensordaten die Position des Miniaturroboters zu ermitteln, und einer Anzeigeeinheit, die ausgelegt ist, um die ermittelte Position des Miniaturroboters anzuzeigen.
System nach Anspruch 22, bei dem der Prozessor ausgelegt ist, um unter Verwendung von ermittelten Positionen des Miniaturroboters einen Plan des Rohrs oder der Rohre, durch das sich der Miniaturroboter bewegt, zu erstellen.
System nach einem der Ansprüche 22 und 23, bei dem die Anzeigeeinheit ausgelegt ist, um die Position des Miniaturroboters in einem Plan eines Gebäudes, in dem sich das Rohr befindet, anzuzeigen, um einem Benutzer zu ermöglichen, auf der Grundlage der angezeigten Position den Miniaturroboter in dem Rohr zu finden oder durch eine separate Messung an der angezeigten Position die exakte Position des Miniaturroboters zu ermitteln.
System nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem die Anzeigeeinheit ausgelegt ist, um Bilder, die von dem Miniaturroboter empfangen werden, anzuzeigen.