DE202010005845U1 - Mechatronisches wurmartiges Bewegungssystem für rohrartige Elemente - Google Patents

Mechatronisches wurmartiges Bewegungssystem für rohrartige Elemente Download PDF

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Abstract

Das mechatronische wurmartige Bewegungssystem für rohrartige Elemente (16) bzw. (30), (37) und (43) dadurch gekennzeichnet, dass es sich schrittweise durch rohrartige Elemente unterschiedlichen Durchmessers mit Hilfe nur eines Aktuators (15) bzw. (29) bidirektional und in Kurvenverläufen bewegen kann.

Description

  • 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.
  • 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 .
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine bidirektionale Bewegung in rohrähnlichen Elementen mit schwankendem Durchmesser mit nur einem Aktuator zu ermöglichen.
  • Diese Problemstellung wird mit den der Erfindung eigenen Merkmalen gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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]

Claims (16)

  1. Das mechatronische wurmartige Bewegungssystem für rohrartige Elemente (16) bzw. (30), (37) und (43) dadurch gekennzeichnet, dass es sich schrittweise durch rohrartige Elemente unterschiedlichen Durchmessers mit Hilfe nur eines Aktuators (15) bzw. (29) bidirektional und in Kurvenverläufen bewegen kann.
  2. Das Bewegungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es aus zwei Einheiten (1) und (2) bzw. (17) und (18) besteht, die beweglich über eine Welle (10) bzw. (27) miteinander verbunden sind, die eine Kurvenfahrt des Bewegungssystems ermöglicht.
  3. Das Bewegungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Fortbewegung die besonderen Haftreibungsverhältnisse von gebogenen Borsten genutzt werden.
  4. Das Bewegungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für den Wechsel der Bewegungsrichtung innerhalb des rohrartigen Elements ein dafür vorgesehener Mechanismus verwendet wird, der die Biegerichtung der Borsten umkehrt.
  5. Das Bewegungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten (1) und (2) aus einem Gehäuse (3) bzw. (4), einem darin befindlichen Läufer (5) mit rechteckigem Hohlraum bzw. einem Läufer (6) mit zylindrischem Hohlraum, die sich zwischen zwei aus flexiblem Material bestehenden Bändern (13) bewegen, auf denen jeweils zwei Bürstenaufsätze (14) sitzen, die mit jeweils entgegengesetzt angestellten Borsten bestückt sind.
  6. Das Bewegungssystem nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass durch jede Einheit (1) und (2) eine Spindel (10) durch die Läufer (5) und (6) verläuft, wobei in der hinteren Einheit (2) ein bewegliches Element mit Innengewinde auf der Spindel (10) läuft, welches den Läufer (5) innerhalb des Gehäuses (3) von einer Endposition zur anderen bewegt und in der vorderen Einheit (1) eine für die Fortbewegung essentielle Gewindebohrung (9) im Gehäuse (4) eingebracht ist und ein festes Element (8) auf der Spindel (10) verläuft, welches den Läufer (6) von einer Endposition zu anderen bewegt, wobei die Verdrehung der Läufer (5) und (6) durch die Spielpassung in den Gehäusen (3) und (4) verhindert wird.
  7. Das Bewegungssystem nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rotation der Spindel (10), die von einem an der hinteren Einheit (2) angebrachten gegen Verdrehung gesicherten Motor (15) angetrieben wird, über einen bestimmten Gesamtdrehwinkel hinaus die Läufer (5) und (6) durch die relative Bewegung der Elemente (7) und (8) in ihre jeweils entgegengesetzte Endposition gebracht werden können, in der sie durch entsprechende Magnetvorrichtungen (11) gehalten werden, wobei sie dabei während der Bewegung die auf den Bändern (13) angebrachten Bürstenaufsätze (14) gegen die Innenwand des rohrartigen Elementes (16) drücken und die jeweils anderen Bürstenaufsätze durch entsprechende Spannvorrichtungen (12) in ihre passive Position gebracht werden.
  8. Das Bewegungssystem nach Anspruch 5, 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus zum Wechseln der Biegerichtung der Borsten aus den Elementen Läufer (5) und (6), Bändern (13), bewegliches und festes Element (7) und (8) auf der Spindel (10) und Magnetvorrichtung (11) besteht.
  9. Eine weitere Variante des Bewegungssystems nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten (17) und (18) aus einem Gehäuse (19) bzw. (20), einem darin befindlichen Läufer (21) mit rechteckigem Hohlraum bzw. einem Läufer (22) mit zylindrischem Hohlraum, die sich auf jeder Seite zwischen zwei Bürstenaufsätzen (28) mit geneigter Lauffläche bewegen, die mit jeweils entgegengesetzt angestellten Borsten bestückt sind und aufgrund der geneigten Laufflächen auf den Läufern (21) und (22) entlanglaufen können und aufgrund einer Führung in den Gehäusen (19) und (20) eine vertikale Bewegung vollführen.
  10. Das Bewegungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass durch jede Einheit (17) und (18) eine Spindel (27) durch die Läufer (21) und (22) verläuft, wobei in der hinteren Einheit (18) ein bewegliches Element mit Innengewinde (23) auf der Spindel (27) läuft, welches den Läufer (21) innerhalb des Gehäuses (19) von einer Endposition zur anderen bewegt und in der vorderen Einheit (17) eine für die Fortbewegung essentielle Gewindebohrung (26) im Gehäuse (20) eingebracht ist und ein festes Element (24) auf der Spindel (27) verläuft, welches den Läufer (22) von einer Endposition zu anderen bewegt, wobei die Verdrehung der Läufer (21) und (22) durch die Spielpassung in den Gehäusen (19) und (20) verhindert wird.
  11. Das Bewegungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rotation der Spindel (27), die von einem an der hinteren Einheit (18) angebrachten gegen Verdrehung gesicherten Motor (29) angetrieben wird, über einen bestimmten Gesamtdrehwinkel hinaus die Läufer (21) und (22) durch die relative Bewegung der Elemente (23) und (24) in ihre jeweils entgegengesetzte Endposition gebracht werden können, in der sie durch entsprechende Magnetvorrichtungen (25) gehalten werden, wobei sie dabei während der Bewegung die auf den Bürstenaufsätzen (28) angebrachten Borsten gegen die Innenwand des rohrartigen Elementes (30) drücken und die jeweils anderen Bürstenaufsätze durch entsprechende Spannvorrichtungen mit Federn in ihre passive Position gebracht werden.
  12. Das Bewegungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 9, 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus zum Wechseln der Biegerichtung der Borsten aus den Elementen Läufer (21) und (22), Bürstenaufsätzen (28) mit geneigten Laufflächen, bewegliches und festes Element (23) und (24) auf der Spindel (27) und den Magnetvorrichtungen (25) besteht.
  13. Eine weitere Variante des Bewegungssystems nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten des Bewegungssystems aus einem Gehäuse (32) bestehen, in dem jeweils eine Spindel (36) durch zwei Bohrungen gelagert ist, auf der sich ein Element (34) befindet, das sich bei der Drehung der Spindel (36) durch eine Führung linear gegenüber dem Gehäuse (32) bewegen kann und sich so zwischen den Endpositionen mit bistabilen Klickmechanismen, die für das Ausfahren und Einfahren der auf ihnen befestigten Bürstenaufsätze verantwortlich sind, eine Fortbewegung ermöglichen lässt.
  14. Eine weitere Variante des Bewegungssystems nach Anspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten des Bewegungssystems aus einem Gehäuse (38) bestehen, in dem jeweils eine Spindel (42) durch zwei Bohrungen gelagert ist, auf der sich zwei Scheiben (41) linear bewegen und in der jeweiligen Endposition den Kippschaltermechanismus (40) mit darauf befestigten jeweils entgegengesetzt angestellten Borsten betätigen und dieser durch eine entsprechende magnetische Vorrichtung (39) stabil gehalten wird.
  15. Eine weitere Variante des Bewegungssystems nach vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass statt zwei Bürstenhaltern vier Bürstenhalter mit entsprechender Ausrichtung verwendet werden, die das System innerhalb des rohrartigen Elements stabilisieren.
  16. Das Bewegungssystem nach vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich mit einer entsprechenden Ausrüstung für die Inspektion und Beeinflussung der Umgebung versehen werden kann und die Energie- und Informationstransfer des Systems über entsprechende Leitungen oder nicht kabelgebunden erfolgen kann.
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