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Eine
der Hauptaufgaben der Robotik besteht darin, Robotersysteme zu entwickeln,
die dem Menschen Arbeiten abnehmen, die für ihn nicht geeignet erscheinen.
Dazu zählen stark monotone oder sich wiederholende Tätigkeiten,
Handlungen in extremen Umgebungsbedingungen, als auch Arbeiten,
die der Mensch aufgrund seines Körperbaus kraftmäßig oder
hinsichtlich der Präzision sowie seiner Größe nicht
erledigen kann. Einer dieser Arbeitsbereiche sind Rohrleitungssysteme,
die für den Transport von Öl, Gas und Wasser genutzt
werden. Dabei führt die Lage dieser Rohrleitungssysteme
oft dazu, dass diese über ihre eigentliche Betriebsdauer
verwendet werden. Dies kann zu erhöhter Gefährdung
der Umwelt führen. Eine Inspektion solcher Rohrleitungssysteme
ist deswegen eine der wichtigsten Problemstellungen der Industrie.
Dabei ist vor allem die Inspektion von Rohren kleinen Durchmessers
interessant, da diese nicht mit konventionellen Mitteln, wie z.
B. biegsamen optischen Inspektionsschläuchen, geprüft werden
können.
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Solchen
Zwecken entsprechend gibt es in einigen Patenten und Veröffentlichungen
vorgestellte Roboter und Bewegungssysteme zur Bewegung in rohrartigen
Elementen in verschiedensten Ausführungen. Die im folgenden
genannten Patente basieren allerdings auf Bewegungssystemen, die
mit Rädern angetrieben werden und daher für kleine
Abmessungen im Bereich von 40 mm und kleiner nicht geeignet sind:
DE 69327908 T2 ,
DE 3224498 C2 ,
WO 2009/093915 A1 ,
US Patent 4862808 ,
US Patent 6123027 .
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Auf
dem Bewegungsprinzip der Spannerraupe, oder englisch Inchworm ,basierende
wurmartige Roboter werden zum Beispiel von Kato et al. in
einem Arbeitspapier des Nippon Institute of Technology des Jahres
2003 unter dem Namen „An inchworm type in-pipe mobile microrobot
driven by three gas-liquid-change actuator" vorgestellt.
Dieser verwendet als Antrieb drei flüssig-gasphasen-Aktuatoren,
die mit Faltenbälgen miteinander verbunden sind. Vorteil ist
hier die einfache Ansteuerung der Gasphasenaktuatoren über
einen Heizer und die effektive Verklemmung im Rohr. Nachteilig dagegen
ist die Verwendung von mehreren Aktuatoren, die zu dem aufgrund ihrer
thermischen Wirkungsweise immer zeitverzögert arbeiten.
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Weiterhin
findet man in der Literatur ein ähnliches Modell nach Kondoh
et al., veröffentlicht in einem Arbeitspapier am Tokyo
Institute of Technology im Jahre 1997 unter dem Namen „Micro
in-pipe machines by making use of an electrorheological fluid". Hier
werden pneumatische Zylinder als Aktuatoren verwendet, die über
Ventile geregelt werden. Der Volumenstrom durch die Ventile wird
durch ein elektrorheologisches Fluid gesteuert. Eine gute Miniaturisierbarkeit
lässt kleine Baugrößen zu, allerdings
unter hohem Fertigungsaufwand. Zudem ist die Steuerung jedes Ventiles
einzeln erforderlich. Dadurch entsteht hoher Steuerungsaufwand.
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Ein
sehr interessantes Beispiel wird durch Lim et al. in einem
Arbeitspapier der Korea Aerospace University aus dem Jahre 2008
mit dem Namen „One pneumatic line based inchworm-like micro robot
for half-inch pipe inspection" beschrieben. Mehrere
pneumatische Aktuatoren werden dort über Überdruckventile
automatisch gesteuert. Der Steuerungsaufwand ist stark reduziert.
Der Aufwand einer pneumatischen Versorgung bleibt aber, ebenso der regelungstechnische
Ausgleich von Luftdruckschwankungen.
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Ein
rein elektrisches Modell wird von Lu et al. beschrieben.
In einem Arbeitspapier der University of Technology des
Landes Australien aus dem Jahre 2008 unter dem Namen „An
inchworm mobile robot using electromagnetic linear actuator" stellen
sie einen sogenannten Ruckgleiter vor. Mit nur einem Aktuator vor.
Ein ruckartiges Abstoßen und langsames Zusammenziehen im
Zusammenspiel von in Bewegungsrichtung geneigten Miniaturborsten
führt zu einer relativ schnellen Bewegung eines gut miniaturisierbaren
Roboters, der sich aber nur in eine Richtung bewegen kann. Der Steuer-
bzw. Regelaufwand fällt durch den sehr einfachen Aufbau
gering aus.
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Ein ähnliches
Wirkprinzip, allerdings auf der Basis eines Piezoaktuators wird
von Idogaki et al. beschrieben. In einem Arbeitspapier
der Research Laboratories Nippondenso Co. Ltd. in Japan wird unter dem
Titel „Characteristics of Piezoelectric Locomotive Mechanism
for an In-Pipe Micro Inspection Machine" ein Ruckgleiter
beschrieben, der noch weiter miniaturisiert wurde, um so einen Außendurchmesser des
Roboters von 5,5 mm zu erreichen. Es wird nur ein Piezoaktuator
verwendet. Die Bewegungsrichtung ist aber vorgegeben und kann während
des Betriebes nicht verändert werden.
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Von Wang
et al. ist aus einem Arbeitspapier, veröffentlicht durch
das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) im
Jahre 2008, ein wurmartiger Roboter bekannt, der sich das
sogenannte Borstenprinzip zunutze macht. In diesem Arbeitspapier
finden sich unter dem Titel „A Bristle-Based Pipeline
Robot for III-Constraint Pipes” umfangreiche Betrachtungen
zu den Reibungsverhältnissen von gebogenen Borsten. Das
Ergebnis dieser Forschungen war ein Roboter, der Rohre mit stark
schwankenden Durchmessern ohne weiteres durchfahren konnte aufgrund
der großen Kraftentwicklung viel Ausrüstung mitführen.
Angetrieben wurde der Roboter durch mehrere pneumatische Aktuatoren.
Da die Borsten fest angeordnet sind, kann sich dieser Roboter aber
während des Betriebes nur in eine einzige, festgelegte
Richtung bewegen.
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Auch Gmiterko
et al. konzipierten einen Mikroroboter für die
Inspektion von Rohren unter Nutzung des besonderen Haftreibungsverhaltens
von Borsten, vorgestellt in einem Arbeitspapier der Technical
University of Kosice aus dem Jahre 2002 unter dem Titel „In-Pipe
Bristled Micromachine". Jedoch unterscheidet sich
dieser in der Auswahl der Aktuatoren von Wang et al. Der entwickelte
Roboter wird nicht mit einem pneumatischen Hubkolbenzylinder, sondern
mit einem Piezoaktuator angetrieben und ist für rohrartige
Elemente mit einem Durchmesser von weniger als 25 mm ausgelegt.
Allerdings kann sich auch dieser Roboter während des Betriebes
nur in eine einzige Richtung bewegen.
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Eine
weitere Variante wird von Kim et al. in einem Arbeitspapier
aus dem Jahre 2005 des Korea Institute of Science and Technology
unter dem Titel „An earthworm-like micro robot using shape
memory alloy actuotor" beschrieben. Der untersuchte
Mechanismus verwendet als Aktuatoren sogenannte Shape Memory Alloys
(kurz SMA), die sich unter Wärmeeinfluss ausdehnen und
beim Abkühlen wieder zusammenziehen. Klemmschalter sorgen
für die notwendige Haltereibung im Rohr. Hohe Miniatursierbarkeit und
geringer Steueraufwand sind als Vorteile zu nennen. Als Nachteile
ergeben sich aber die unidirektionale Bewegungsrichtung, die sich
nicht umkehren lässt sowie die sich durch das thermische
Wirkprinzip ergebenden Tot- und Verzögerungszeiten sowie
eine geringe Bewegungsgeschwindigkeit.
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Ebenfalls
in Entwicklungen verwendet werden zum Antrieb sogenannte Flexible
Mikroaktuatoren, kurz FMA. Durch pneumatische Ansteuerung können
damit dreidimensionale Bewegungen erzeugt werden. Auf Basis solcher
FMAs stellen Takahashi et al. einen wurmartiger Roboter
in einem Arbeitspapier am Tokyo Institute of Technology aus dem
Jahre 2001 vor. Titel des Berichtes ist „The
development of an in-pipe microrobot applying the motion of an earthworm”.
Der Bewegungszyklus ist dem eines Regenwurmes sehr ähnlich.
Dadurch ergibt sich eine Bidirektionalität des Roboters,
jedoch nur unter Verwendung mehrerer FMAs. Ein weiterer Vorteil
ist die Möglichkeit, den Roboter nach Takashi et al. aktiv
in bestimmte Richtungen, zum Beispiel in Rohrabzweigungen, zu lenken.
Jedoch ergibt sich aufgrund der nötigen Präzision
der Teile ein hoher Fertigungsaufwand.
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Auch Anthierens
et al. legen ihrem Roboter den Bewegungszyklus des Regenwurms
zugrunde. In ihrem Arbeitspapier aus dem Jahre 2000 am French
National Centre of the Scientific Research unter dem Titel „Micro
robots dedicated to small diameter canalzation exploration" beschreiben
sie einen wurmartigen Roboter mit mehreren SMA-Aktuatoren, die Rahmenteile
so verformen, dass sich diese an der Rohrinnenwand verklemmen (Zustand
1) oder eine lineare Vorwärtsbewegung erzeugen (Zustand 2).
Der zeitversetzte Wechsel dieser Zustände bei mehreren
hintereinander angeordnet und verbundenen Rahmenelemente führt
zu einer langsamen Vorwärtsbewegung. Die einfache Art der
Ansteuerung der SMA-Aktuatoren steht den Verzögerungszeiten durch
das thermische Wirkprinzip entgegen. Eine bidirektionale Bewegung
ist möglich.
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Einen
ganz anderen Weg schlagen Iwashina et al. ein.
In einem Arbeitspapier aus dem Jahre 1994 veröffentlichen
sie an dem Tokyo Institute of Technology unter dem Namen „Development
of in-pipe operation micro robots" die Beschreibung
eines Roboters, dem das Prinzip einer Schraube zugrunde liegt. Die
Gummirollen an einem rotatorisch angetriebenen und einem festen
Modul des Roboters sind winklig so gegeneinander angestellt, dass
sie durch ihre Rotation gleichzeitig eine lineare Bewegung erzeugen.
Mit Hilfe von Federn werden die Antriebsräder an die Rohrinnenwand
gedrückt. Der auf diese Weise aufgebaute Roboter wurde
sehr schnell und konnte einfach angesteuert werden. Aufgrund des
starren Aufbaus können aber keine bzw. nur sehr geringe
Rohrkrümmungen durchfahren werden. Zudem darf der Rohrdurchmesser
bei dieser Anordnung nicht stark schwanken, da nur wenig Spielraum
beim Ausgleich durch die mit Federn angedrückten Rollen
vorhanden ist.
-
Zusammenfassend
lässt sich sagen, dass bis auf das letzt genannte Beispiel
von Iwashina et al. alle bidirektionalen Bewegungssysteme
mehrere Aktuatoren besitzen. Die erwähnten Systeme mit
nur einem Aktuator können sich, bis auf die genannte Ausnahme,
wegen des ihnen zugrundeliegenden Prinzips auch nur in eine Richtung
bewegen.
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Der
Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine bidirektionale
Bewegung in rohrähnlichen Elementen mit schwankendem Durchmesser mit
nur einem Aktuator zu ermöglichen.
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Diese
Problemstellung wird mit den der Erfindung eigenen Merkmalen gelöst.
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Mit
der Erfindung ist es möglich, ein Bewegungssystem zu schaffen,
sodass unter Verwendung nur eines Aktuators eine bidirektionale
Bewegung möglich ist. Zur Fortbewegung werden die besonderen
Reibungsverhältnisse von gebogenen Borsten verwendet. Dies
wird auch in anderen Erfindungen und Patenten angewendet. Da diese
aber nur Bewegung in eine Richtung ermöglichen, wird ein
Wechselmechanismus eingesetzt, der die Biegerichtung der Borsten
umkehrt und damit die Bewegung in die andere Richtung ermöglicht.
Mit Inspektionshilfsmitteln wie Kameras, Ultraschallsensoren, Greifarmen/-zangen,
Mikrophonen oder Ähnlichem ausgestattet ist auf diese Weise
die Inspektion von Rohrinnenbereichen möglich. Ebenso wäre
durch eine entsprechende Ausstattung auf diese Weise die Ver- und
Bearbeitung von Material innerhalb des rohrartigen Elementes möglich,
wie zum Beispiel schleifen, kleben, schweißen o. ä.
Sind die einzelnen Teile des Bewegungssystems mit Gelenken oder
biegsamen Elementen miteinander verbunden, ist auch das Befahren
von Rohrkrümmungen möglich. Auch bei starrer Verbindung
ist das Inspizieren von gekrümmten Rohren möglich,
solange der Krümmungsradius so groß ist, dass
sich das Bewegungssystem im Rohr verklemmt.
-
Die
Steuerung des Mechanismus kann per Kabel, aber auch per Funk geschehen,
da die Anzahl der zu übertragenden Funktionen sowie der
elektrische Leistungsbedarf eines geeigneten Aktuators, gering ausfallen,
sodass dieser auch mit Akkus bzw. Batterien betrieben werden kann.
Somit wäre ein komplett kabelfreier Betrieb des Bewegungssystems möglich.
-
Die
Möglichkeit des Befahrens von rohrartigen Elementen mit
schwankenden Innenmaßen ergibt sich zum ersten aus dem
Umstand des Höhenunterschiedes zwischen den aktiven Borsten
im Eingriff und den inaktiven Borsten, die erst bei einem Wechsel
aktiv in Eingriff kommen würden und zum zweiten aus den
Eigenschaften der Borsten, sich durch Biegung an veränderte
Abmessungen anzupassen.
-
Mögliche
Ausführungsformen werden durch die 1 bis 9 verdeutlicht.
Es zeigen:
-
1 den
technischen Aufbau der Ausführungsmöglichkeit
mit flexiblem Bändern im Halbschnitt
-
2 den
Ablauf der Fortbewegung der in 1 gezeigten
Ausführungsmöglichkeit im Halbschnitt
-
3 den
Ablauf des Bürstenwechsels der in 1 gezeigten
Ausführungsmöglichkeit im Halbschnitt
-
4 den
technischen Aufbau der Ausführungsmöglichkeit
mit Keilelementen im Halbschnitt
-
5 den
Ablauf der Fortbewegung der in 4 gezeigten
Ausführungsmöglichkeit im Halbschnitt
-
6 den
Ablauf des Bürstenwechsels der in 4 gezeigten
Ausführungsmöglichkeit im Halbschnitt
-
7 Ausführungsmöglichkeit
mit Kugelschreiberprinzip
-
8 Ausführungsmöglichkeit
mit Schaltersystem
-
9 Adaption
der Ausführungsmöglichkeit aus 4 mit
vier statt zwei Borsten in jede Richtung
-
Grundlage
aller Ausführungsvarianten ist eine sich drehende Spindel,
auf der sich eine oder mehrere Körper befinden, die je
nach Stellung mehrere Funktionen wahrnehmen und auf diese Weise die
Verwendung nur eines Aktuators ermöglichen.
-
Das
Bewegungssystem der Ausführungsmöglichkeit mit
Bändern in 1 besteht aus zwei Wurmeinheiten,
einer vorderen (1) und einer hinteren (2). Diese
sind jeweils aus einem Gehäuse (3) bzw. (4),
einem darin befindlichen Läufer (5) bzw. (6),
zwei flexiblen Bändern (13), zwischen denen sich
der Läufer bewegt, und vier auf den Bändern sitzenden
Bürstenaufsätzen mit entgegengesetzt angestellten
Borsten (14) aufgebaut. Der Läufer wird mittels
Durchgangsbohrungen auf der Spindel (10) geführt.
Die elastischen Bänder (13) sind am Gehäuse
(3) bzw. (4) befestigt und durch Spannrollen (12)
gespannt. Diese Spannrollen (12) werden in einer entsprechenden
Nut im Gehäuse (3) bzw. (4) geführt,
sodass ihre Bewegungsrichtung bei einem Bürstenwechsel
orthogonal zur Spindelrichtung ist. Die Spannwirkung der oberen
und unteren Spannrolle auf die Bänder (13) wird mit
zwei an den Spannrollen befestigten Zugfedern (in den Figuren zur
besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt) realisiert.
Das Gehäuse (4) der vorderen Wurmeinheit (1)
sitzt über eine Gewindebohrung (9) an der dem
Motor (15) zugewandten Seite auf der Spindel (10)
und wird durch ihre Rotation linear bewegt. Im Läufer (6)
der vorderen Wurmeinheit (1) ist eine zylindrische Bohrung
eingebracht, in der sich eine auf der Spindel befestigte Scheibe
(8) befindet. Weiterhin sitzt im Läufer (5)
der hinteren Wurmeinheit (2) eine Vierkantmutter (7)
auf der durchlaufenden Spindel (10), die durch eine quadratische
Bohrung innerhalb des Läufers (5) geführt wird.
Die Spindel (10) läuft durch zwei entsprechende Durchgangsbohrungen
im Gehäuse (3) der hinteren Wurmeinheit (2).
Ferner ist an diesem der Motor (15), der die Spindel (10)
antreibt, mit einer Verdrehsicherung befestigt. Infolge der Bewegung
der Läufer (5) und (6) zwischen den beiden
Bändern (13) werden die Bürstenaufsätze
(14) ein- bzw. ausgefahren. Die Aufgabe der Spannrollen
(12) und deren Zugfedern ist es dabei, die eingefahrenen
Bürstenaufsätze (14) auf den gespannten
Bändern (13) in ihrer Position zu halten. Aufgrund
der inversen Bewegungsrichtung und Endpositionen der Läufer
(5) und (6), die sich aus der Relativbewegung
der befestigten Scheibe (7) zur Vierkantmutter (8)
ergibt, ist die Anstellung der Borsten auf den Bürstenaufsätzen
(14) funktional festgelegt. Die Fixierung der Läufer
(5) und (6) an den entsprechenden Endpositionen übernehmen Permanentmagnete
(11), die am Läufer (5) und (6) und
im Gehäuse (3) und (4) eingebracht sind.
Statt mit flexiblen Bändern kann diese Ausführungsmöglichkeit
auch mit einem Schlauch realisiert werden.
-
Innerhalb
der Bewegungszyklen, dargestellt in 2, verbleiben
die Läufer (5) und (6) an ihrer Position.
Rotiert die Spindel (10) in die entsprechende Richtung
(in der in 2 gezeigten Ausgangsposition
mathematisch positiv), so bewegt sich die vordere Wurmeinheit (1)
infolge der Kraft, die durch das Gewinde (9) im Gehäuse
(4) auf sie wirkt, von der hinteren Wurmeinheit (2)
weg, da die Haftreibungskraft, die die Borsten (14) der
vorderen Wurmeinheit (1) im Kontakt mit der Innenwand des
rohrähnlichen Elements (16) erzeugen, geringer
ist und überwunden wird. Synchron dazu bewegt sich aber
auch die Vierkantmutter (7) in der Führung des
Läufers (5) der hinteren Wurmeinheit (2)
bis zum Anschlag. Daraufhin wird die Bewegungsrichtung der Spindel
(10) umgekehrt, was zur Folge hat, dass durch die umgekehrte
Spindelkraft die nun kleinere Haftreibung der Borsten (14)
an der hinteren Wurmeinheit (2) überwunden und
sie somit an die Vordere (1) herangezogen wird. Bei Wiederholung
dieses Zyklus entsteht wiederum eine inchwormartige Fortbewegung,
dessen Schrittlänge maßgeblich durch die Länge
der Läufer (5) und (6) und die Breite
der Vierkantmutter (7) bzw. der Scheibe (8) bestimmt
wird. Wichtig ist dabei auch, dass der Motor (15) sich
aufhört zu drehen, wenn die Anfangs- und Endpositionen
erreicht sind. Realisiert werden kann dies beispielsweise durch
eine Drehwinkelüberwachung der Spindel (10), Näherungs-
oder Endanschlagsschalter oder ähnliches, die einer Steuerung
signalisieren, dass die gewünschte Position erreicht wurde.
Ansonsten käme es zu einer Verschiebung der Läufer
(5) und (6) und dadurch zu nicht mehr definierten
Reibungsverhältnissen, die eine Bewegung nur noch eingeschränkt erlauben
bzw. nicht mehr möglich machen würden.
-
Der
in 3 dargestellte Bürstenwechsel zeigt die
drei repräsentative Phasen desselben. Die Bohrungen in
den Halterungen für die Borsten (14) sitzen schräg,
damit die Borsten (14) während des Wechsels leichter
die vorgegebene Krümmung erreichen. Die Teilfunktion des
Richtungswechsels wird über eine entsprechende Ansteuerung
des Motors (15) umgesetzt. Dabei rotiert die Spindel (10)
so, dass die Vierkantmutter (7) und die auf der Spindel (10)
befestigte Scheibe (8) die Läufer (5)
und (6) aus ihrer fixierten Endposition lösen
und in die zweite Endposition auf der gegenüberliegenden
Seite bewegen. Durch die Anstellung der Borsten (14) wird
im Zuge der Rotation der Spindel (10) die hintere Wurmeinheit
(2) an die Vordere (1) herangezogen. Die Vierkantmutter
(7) schiebt dabei den Läufer (5) der hinteren
Wurmeinheit (2) aus seiner festen Endposition unter den
Spannrollen (12) entlang auf die andere Seite des Gehäuses
(3). Die Zugfedern an den Spannrollen sorgen nach Durchlaufen
des Läufers (5) für eine Rückstellung
der Spannrollen (12) und eine erneute Spannung der elastischen
Bänder (13). Dadurch wird der Kontakt zwischen
den eingefahrenen Bürstenaufsätzen (14)
und der Innenwand des rohrartigen Elementes (16) unterbunden.
Im Zuge der heranziehenden Bewegung der hinteren Wurmeinheit (2)
schiebt die auf der Spindel (10) befestigte Scheibe (8)
den Läufer (6) der vorderen Wurmeinheit (1)
ebenfalls in seine zweite Endposition. Dadurch findet wie bei der
hinteren Wurmeinheit (2) ein Wechsel der Bürstenaufsätze
(14), die in Kontakt mit der Innenwand des rohrartigen
Elementes (16) stehen, statt. Wenn die herausgefahrenen
Borsten (14) die notwendige Haftreibungskraft aufbringen,
wird für die Vervollständigung des Bürstenwechselmechanismus
die vordere Wurmeinheit (1) an die Hintere (2) herangezogen
bis die Läufer (5) und (6) die zweite Endposition
erreicht haben. Bei einem erneuten Richtungswechsel im Zuge einer
entsprechenden Ansteuerung des Motors (15) findet der Bürstenwechselmechanismus
in umgekehrte Reihenfolge statt.
-
4 zeigt
eine zweite Ausführungsmöglichkeit. Sie ist aus
zwei Einheiten, der vorderen Wurmeinheit (17) und der hinteren
Wurmeinheit (18), aufgebaut. Sie bestehen beide jeweils
aus einem Gehäuse (19) und (20), einem
darin befindlichen Läufer (21) und (22),
die mit Durchgangsbohrungen auf einer Spindel (27) geführt
werden, und vier Bürstenaufsätzen mit entgegengesetzt
angestellten Borsten (28). Das Gehäuse (20)
der vorderen Wurmeinheit (17) sitzt durch eine Gewindebohrung
(26) an der dem Motor (29) zugewandten Seite auf
der Spindel (27) und wird durch ihre Rotation linear bewegt.
Auf der Spindel (27) ist außerdem noch eine Scheibe
(24) befestigt, die sich in einer zylindrischen Bohrung
des vorderen Läufers (22) befindet. Im Gehäuse
(19) der hinteren Wurmeinheit (18) befinden sich
zwei Durchgangsbohrungen durch die die Spindel (27) läuft.
Auf dieser Spindel (27) sitzt eine Vierkantmutter (23),
die durch eine im Läufer (21) befindliche quadratische Bohrung
geführt wird. Am Gehäuse (19) der hinteren Wurmeinheit
(18) ist außerdem noch der Motor (29), der
die Spindel (27) antreibt, gegen eine mögliche Verdrehung
arretiert. Durch die Bewegung der keilartigen Läufer (21)
und (22) werden die Bürstenaufsätze (28)
infolge des Gleitens auf der schiefen Ebene aus- bzw. eingefahren.
Dabei ist die Bewegungsrichtung der Bürstenaufsätze
(28) orthogonal zu Spindelrichtung durch entsprechende
Führungstaschen im Gehäuse (19) und (20)
festgelegt. Für die Rückstellung der Bürstenaufsätze
(28) in ihre Grundposition, dem eingefahrenen Zustand,
sorgen geeignete Zugfedern (zur besseren Übersichtlichkeit
nicht dargestellt). Die konstruktive Gestalt der Bürstenaufsätze (28)
und die Anstellung der Borsten (28) folgen aus den inversen
Bewegungsrichtungen und Endpositionen der Läufer (21)
und (22), die sich aus der Relativbewegung der befestigten
Scheibe (24) zur Vierkantmutter (23) ergibt. Die
Fixierung der Läufer (21) und (22) an
den jeweiligen Endpositionen wird durch am Läufer (21)
und (22) angebrachte Permanentmagnete (25) realisiert,
welche bedingen, dass das Gehäuse (19) und (20)
aus ferromagnetischem Material besteht. Ebenso ist es möglich,
die Permanentmagnete (25) am Gehäuse (19)
und (20) zu befestigen. In diesem Fall müssen
die entsprechen Halterungen an den Läufern (21)
und (22) ferromagnetisch sein.
-
5 zeigt
die schrittweise Fortbewegung des Inchwormroboters unter Ausnutzung
des Borstenmechanismus. Die Abfolge des Zyklus erfolgt dabei analog
dem in 2 dargestellten Ablauf.
-
6 zeigt
den Ablauf des Borstenwechsels. Diese erfolgt ebenso analog zu dem
in 3 gezeigten Ablauf.
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In 7 ist
die Wurmeinheit einer weiteren Ausführungsmöglichkeit
dargestellt. Eine einzelne Wurmeinheit besteht aus dem Gehäuse
(32), in dem die Spindel (36) durch zwei Bohrungen
gelagert ist. Auf ihr befindet sich ein Körper (34),
beispielsweise als Scheibe ausgeführt, die sich bei der
Drehung der Spindel (36) durch eine Führung linear
gegenüber dem Gehäuse (32) bewegen kann.
Zwischen den Klickmechanismen (33) kann sich die Scheibe
frei bewegen und somit eine Vorwärtsbewegung bei einem
analogen Aufbau zu 1 bzw. 4 analog der
in 2 und 5 gezeigten Abläufe
erzeugen. Soll ein Wechsel der Borsten (35) durchgeführt
werden, muss der auf der Spindel befindliche Körper (34) zu
erst die ausgefahrenen Borsten (35) durch Betätigen
der Klickmechanismen (33) einfahren. Durch die Rotation
der Spindel (36) in die entgegengesetzte Richtung betätigt
der Körper (34) an der anderen Endposition den
Klickmechanismus (33) der eingefahrenen Borsten (35)
sodass diese dadurch an die Innenwand des rohrartigen Elementes
(37) gedrückt werden, in dem sich das Bewegungssystem
befindet. In einer Führung (31) sitzend, bewegen
sich die Borsten (35) bei betätigen der Klickmechanismen
(33) senkrecht nach oben.
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8 zeigt
ebenfalls die Wurmeinheit einer weiteren Ausführungsmöglichkeit.
Bei dieser Variante mit einem Schaltersystem bewegen sich zwei Scheiben
(41) auf einer Spindel (42) in einer Führung durch
das Gehäuse (38). Die Borsten sind in diesem System
auf einem Schalter (40) befestigt. Dieser ist im Gehäuse
(38) gelagert und wird in der jeweils aktiven Position
durch Permanentmagnete (39) gehalten. Solange die Scheiben
(41) auf der Spindel (42) bei deren Rotation den
Schalter (40) nicht berühren, bewirkt die Rotation
der Spindel beim Aufbau des Bewegungssystems analog 1 bzw. 4 aus
zwei solchen Wurmeinheiten eine Bewegung analog 2 und 5.
Soll ein Borstenwechsel durchgeführt werden, muss die Spindel
(42) sich so weit drehen, dass eine der beiden Scheiben
(41) den Schalter (40) in die jeweils andere Richtung
drückt, bis die Permanentmagneten (39) auf der
anderen Seite den Schalter (40) in der neuen Position sichern.
Die im Eingriff mit der Innenwand des rohrartigen Elementes (43)
stehenden Borsten auf dem Schalter haben dann ihre Biegerichtung
gewechselt und die Bewegung ist in die andere Richtung möglich.
-
Zur
besseren Stabilität im rohrartigen Element kann es von
Vorteil sein, in drei oder vier statt nur in zwei Richtungen Borstenhalter
anzuordnen. Kommt es im Rohr zu Drehungen des Bewegungssystems ist
so ein besserer Halt in jeder Position gegeben. Eine Adaption mit
vier Borstenhaltern für jede Richtung der Ausführungsmöglichkeit
mit Keilelementen aus 4 zeigt 9. Eine
solche Lösung ist mit leichten konstruktiven Änderungen
auch für die Variante mit Bändern aus 1 sowie
die Ausführungsmöglichkeiten in 7 und 8 möglich.
-
In
beiden Varianten (zwei und vier Borsten in jede Richtung sowie alle
genannten Ausführungsmöglichkeit) wird die Verdrehung
der vorderen gegenüber der hinteren Wurmeinheit durch die
tangentialen Reibungskräfte der Borsten am rohrähnlichen Element
gesichert.
-
Das
Material der Borsten ist beliebig, da nur die Bedingung der Biegbarkeit
erfüllt sein muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 69327908
T2 [0002]
- - DE 3224498 C2 [0002]
- - WO 2009/093915 A1 [0002]
- - US 4862808 [0002]
- - US 6123027 [0002]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Kato et al.
in einem Arbeitspapier des Nippon Institute of Technology des Jahres
2003 unter dem Namen „An inchworm type in-pipe mobile microrobot
driven by three gas-liquid-change actuator” [0003]
- - Kondoh et al., veröffentlicht in einem Arbeitspapier
am Tokyo Institute of Technology im Jahre 1997 unter dem Namen „Micro
in-pipe machines by making use of an electrorheological fluid” [0004]
- - Lim et al. in einem Arbeitspapier der Korea Aerospace University
aus dem Jahre 2008 mit dem Namen „One pneumatic line based
inchworm-like micro robot for half-inch pipe inspection” [0005]
- - Lu et al. [0006]
- - Arbeitspapier der University of Technology des Landes Australien
aus dem Jahre 2008 unter dem Namen „An inchworm mobile
robot using electromagnetic linear actuator” [0006]
- - Idogaki et al. [0007]
- - Arbeitspapier der Research Laboratories Nippondenso Co. Ltd.
in Japan wird unter dem Titel „Characteristics of Piezoelectric
Locomotive Mechanism for an In-Pipe Micro Inspection Machine” [0007]
- - Wang et al. ist aus einem Arbeitspapier, veröffentlicht
durch das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
im Jahre 2008 [0008]
- - A Bristle-Based Pipeline Robot for III-Constraint Pipes [0008]
- - Gmiterko et al. [0009]
- - Arbeitspapier der Technical University of Kosice aus dem Jahre
2002 unter dem Titel „In-Pipe Bristled Micromachine” [0009]
- - Kim et al. in einem Arbeitspapier aus dem Jahre 2005 des Korea
Institute of Science and Technology unter dem Titel „An
earthworm-like micro robot using shape memory alloy actuotor” [0010]
- - Takahashi et al. einen wurmartiger Roboter in einem Arbeitspapier
am Tokyo Institute of Technology aus dem Jahre 2001 [0011]
- - The development of an in-pipe microrobot applying the motion
of an earthworm [0011]
- - Takashi et al. [0011]
- - Anthierens et al. [0012]
- - Arbeitspapier aus dem Jahre 2000 am French National Centre
of the Scientific Research unter dem Titel „Micro robots
dedicated to small diameter canalzation exploration” [0012]
- - Iwashina et al. [0013]
- - Arbeitspapier aus dem Jahre 1994 veröffentlichen
sie an dem Tokyo Institute of Technology unter dem Namen „Development
of in-pipe operation micro robots” [0013]
- - et al. alle bidirektionalen [0014]