DE4431842A1 - Elektronisch steuerbarer Automat - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch steuerbaren Automaten mit Positionierungskontrolle in variabel konfigurierbarer Modulbauweise aus unterschiedlichen Moduln zumindest in Form von aktiven, mit einem inneren Antrieb versehenen Dreh- und Lineargliedern, wobei die aktiven Drehglieder als Rotations- oder Kippglieder ausgeführt sind und zwei einander längsachsenzentral gegenüberliegende Anschlußschnittstellen zur in unterschiedlichen Winkelpositionierungen zueinander möglichen Kopplung des physikalischen und logischen Wirkungsflusses mit anderen Moduln aufweisen.

Ein derartiger Automat ist aus dem Prospekt "MoRSE Positionierung und Handling - Modulares System für Labor, Fertigung und Ausbildung" der Firma "amtec" - Automatisierungs-, Meß- und Testtechnolgien GmbH, Berlin bekannt. Er verfügt über drei verschiedene Modultypen. Zwei für Drehbewegungen in Form von Rotations- und Kippbewegungen und eines für Linearbewegungen. Alle Typen sind aktiv und weisen einen inneren Antrieb auf. Sie sind aus Würfeln aufgebaut. Die Drehbewegungen werden mit einem Doppelwürfel realisiert, die Linearbewegungen mit einer Schienenkonstruktion zwischen zwei Würfeln, auf der winklig dazu ein dritter Würfel linear verschieblich angeordnet ist. Die Ankopplung des Linearmoduls an weitere Moduln erfolgt über rechtwinklig zueinander liegende Anschlußschnittstellen mit entsprechend umgeleitetem Wirkungsfluß zwischen einem Würfel der Schienenkonstruktion und dem Schlittenwürfel. Die Anschlußschnittstellen für die Ankopplung sind die jeweils freien Würfelflächen. Bei den Drehmoduln können sich diese längsachsenzentral am Doppelwürfel gegen überliegen. Die mögliche Drehung ist dann achsenkongruent. Die Positionierung der Moduln zueinander ist aufgrund der vorzusehenden parallelen Würfelkanten auf maximal vier Positionen begrenzt. Im Rahmen der mit den drei Modultypen zu realisierenden Kinetik können mit der Hand am Automatenende Zielpunkte nur auf bestimmten vorgegebenen Bahnkurven erreicht werden. Einzelne Automatenabschnitte sind nicht linear mit entsprechend verlaufendem Wirkungsfluß aufgebaut. Sie weisen Versprünge oder hervorstehende Teile auf und liegen nicht auf dieser Bahnkurve. Teilweise müssen sie diese beim Verfahren aufgrund der lokalen Kinetik verlassen. Die Lage des Zielpunktes wird von dem Arbeitsbereich des Automaten aufgrund seiner Modulanordnung mit einer relativ geringen Gesamtanzahl bestimmt. Durch die armartige Anordnung der Moduln muß das Modul am Automatenanfang eine sehr viel größere Kraft (Drehmoment) aufbringen als das Modul am Automatenende. Der Automat selbst ist ortsfest positioniert und damit in seiner Arbeitsreichweite begrenzt. Er hat einen seinem Aufbau entsprechenden Platzbedarf.

Der Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, einen elektronisch steuerbaren Automaten anzugeben, der in seiner Arbeitsreichweite praktisch unbegrenzt ist und der seine äußere Gestalt jeder beliebig vorgegebenen Bahnkurve anpassen und dieser folgen kann, ohne daß einzelne Abschnitte von ihm auch nur zeitweilig von ihr abweichen. Dabei soll das Nachfolgen nicht an örtlich begrenzte Bahnkurvenabschnitte gebunden sein. Unter Ausnutzung der variabel konfigurierbaren Modulbauweise soll der Automat in einfacher Weise für alle denkbaren Aufgaben entlang der vorgegebenen Bahnkurve geeignet und trotzdem flexibel und damit kostengünstig einsetzbar sein.

Diese Problemstellung wird erfindungsgemäß durch einen elektronisch steuerbaren Automaten gelöst, bei dem alle Moduln zwei paarig koppelbare Anschlußschnittstellen aufweisen, die einander längsachsenzentral gegenüberliegen, alle Moduln in kompakter Form annähernd konzentrisch zu ihrer Längsachse aufgebaut sind und bei dem mehrere Kippglieder in zumindest mittelbarer Reihenabfolge zur Erzeugung einer schlangenartigen räumlichen Beweglichkeit mit linearem Wirkungsfluß miteinander gekoppelt sind. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Automaten sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit der Erfindung wird ein Automat in Schlangenform mit nahezu beliebiger Länge geschaffen, der in der Lage ist, sich auch wie eine Schlange zu verhalten. Die Moduln sind durch die allen gemeinsame längsachsenzentrale Ausrichtung der Anschlußschnittstellen streng linear hintereinandergeschaltet. Der Wirkungsfluß verläuft damit ebenfalls linear. Der kompakte, um die Längsachse gedrungene Aufbau vermeidet lange Auslegerkonstruktionen und Abzweigungen, die von der Bahnkurve abweichen würden. Das Auftreten mehrerer Kippglieder hintereinander und die verschiedene Positionierbarkeit der einzelnen Moduln zueinander bewirken die Beweglichkeit und die Biegsamkeit der Schlange im dreidimensionalen Raum. Die Fortbewegung erfolgt ohne weiteren nach außen wirkenden Antrieb durch Nachahmung einer natürlichen Vorwärtsbewegung über die Kippglieder. Dabei kann der Automat Bewegungen mit transversalen Auslenkungen, ähnlich der Windenbewegung einer Schlange oder der Vorschubbewegung einer Raupe, oder mit longitudinalen Auslenkungen, ähnlich der Forbewegung von Riesenschlangen, ausführen. Eine Anpassung der Fortbewegung oder Umstellung an die Umgebungsbedingungen ist möglich. Der Automat kann damit in einfacher Weise Biegungen und Knicken in seiner Bahnkurve folgen. Er ist ortsungebunden, so daß seine Arbeitsreichweite groß ist. Der Automat ist in der Lage, in eng begrenzten Systemen effektiv zu arbeiten. Er kann damit beispielsweise Aufgaben sogenannter "Rohrmarder", wie z. B. Inspektionen oder Manipulationen in bzw. an Rohrsystemen oder anderen unzugänglichen Orten, ausführen. Die allgemein bekannten Rohrmarder sind schlittenförmig ausgeführt. Die hohe Flexibilität durch die variabel konfigurierbare Modulbauweise und die schlangenartige Beweglichkeit auch längerer Anordnungen weisen sie nicht auf.

Für bestimmte Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, die selbsttätige Vorwärtsbewegung noch zu verstärken. Der Automat kann deshalb entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung über ein Modul verfügen, das in Form eines aktiven Rollgliedes einen äußeren Antrieb aufweist, der die Fortbewegung des gesamten Automaten unterstützt. Die Arbeitsreichweite und Mobilität können durch den äußeren Antrieb noch weiter gesteigert werden. Das aktive Rollglied kann auch alleine die Fortbewegung hervorrufen. Der Automat kann sich also selbsttätig, antriebsunterstützt oder angetrieben fortbewegen.

Die schlangenartige Ausbildung und Beweglichkeit des Automaten wird erfindungsgemäß noch dadurch verbessert, daß die Moduln axial eine wesentlich geringere Ausdehnung aufweisen als radial. Der Automat kann dadurch auch sehr engen Kurven problemlos folgen. Die Flexibilität wird erfindungsgemäß dadurch erhöht, daß zwischen den hintereinanderliegenden Kippgliedern unter Aufrechterhaltung der schlangenartigen Beweglichkeit des Automaten andere Moduln angeordnet sind. Art und Ausführung von zur Zwischenschaltung geeigneten Moduln werden weiter unten erläutert.

Wie bereits ausgeführt, dienen die unterschiedlichen Winkelpositionierungen zwischen den Anschlußschnittstellen zweier benachbarter Moduln der räumlichen Beweglichkeit des Automaten. Bei einer gleichen Orientierung aller Verbindungen könnte sich dieser nur entlang einer Bahnkurve in einer Ebene bewegen. Für eine vereinfachte Montage der Anschlußschnittstellen miteinander ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn die unterschiedlichen Winkelpositionierungen als fest vorgegebene Positionsmöglichkeiten durch Vorsehen von Verbindungsflanschen mit formschlüssigen Fixierungselementen erreicht werden. Die Anzahl der verschiedenen Positionsmöglichkeiten kann von zwei an aufwärts gewählt werden, bis beispielsweise maximal 12 Einzelpositionen entsprechend der Anordnung auf dem Zifferblatt einer Uhr. Dabei sind vier verschiedenen Positionsmöglichkeiten besonders hervorzuheben, da sie einer jeweiligen Verdrehung von 90 Grad entsprechen, somit auf den räumlichen Achsen liegen und den vollen Raumwinkel gut abdecken. Bei einer formschlüssigen Verbindung zweier Moduln miteinander, beispielsweise mit einer Zentralschraube, weisen die Flansche paarig zusammengehörende, einander entsprechende absatzartige Oberflächenkonturen auf. Da alle Moduln dann jeweils einen Positiv- und einen Negativflansch aufweisen, wird die beliebige Konfigurierbarkeit nicht behindert. Bei einer formschlüssigen Verbindung mit mehreren, auf einem Teilkreis angeordneten Schrauben können die Flansche glatt und damit auf beiden Seiten identisch sein. Nach weiter erhöht wird die Beweglichkeit des Automaten, wenn erfindungsgemäß die Winkelpositionierungen zwischen den Anschlußschnittstellen zweier Moduln kontinuierlich einstellbar sind. Derartige Ausführungen sind für besonders komplexe und schwierige Einsatzfälle geeignet. Die kontinuierlichen Winkelpositionierungen können nach der Erfindung durch Vorsehen von Verbindungsflanschen mit kraftschlüssigen Fixierungselementen erreicht werden. Die Flansche können dann identisch ausgeführt sein. Sie werden so miteinander verbunden, daß die Verbindung zwar starr, aber leicht lösbar ist.

Vorteilhafterweise können einzelne Moduln des Automaten zur Aufnahme von weiteren Einrichtungen ausgebildet sein. Es kann sich hierbei um passive Lasten wie beispielsweise eine Versorgungs- oder Steuereinheit handeln, es können aber auch aktive Lasten wie Scheinwerfer, Videokameras oder Werkzeuge mitgeführt werden, die über entsprechende Vorrichtungen am Modul bedient werden können. Die Aufbringung der Lasten orientiert sich an den längsachsenbezogenen Platzverhältnissen auf dem Modul unter Berücksichtigung seiner Einsatzbedingungen.

Seine besondere Einsatzflexibilität erhält der erfindungsgemäße Automat auch durch den Einsatz eines äußeren Antriebes. Dieser ist von den inneren Antrieben, die jedes aktive Modul aufweist, völlig unabhängig. Er wird realisiert mit einem Modul in Form eines aktiven Rollgliedes, das vorteilhafterweise nach außen wirkende Rollen oder Ketten aufweisen kann. Zwei Rollen können sich an einem Rollglied diametral gegenüberliegen. Zur sicheren Abstützung in Rohren kann das Rollglied aber auch drei oder mehr, gleichmäßig verteilte Rollen an seinem Umfang aufweisen. Die Verwendung von Ketten eignet sich besonders für unebene Untergründe mit kleinen Stufen und Löchern. Diese können einfach mit einer Kette überbrückt werden, ohne daß der Antrieb den Reibkontakt verliert. Innerhalb des Automaten werden die aktiven Rollglieder besonders günstig im Bereich des Anfangs und/oder Endes der Schlangenanordnung angeordnet.

Zu der Ausführung einzelner aktiver Moduln wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den speziellen Beschreibungsteil hingewiesen. Dies gilt auch für die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines aktiven Lineargliedes, bei dem die längsachsenzentral gegenüberliegenden Anschlußschnittstellen in ihrem längsaxialen Abstand zueinander veränderbar sind. Derartige aktive Linearmoduln eignen sich besonders zur Ausführung von geringen Vorschubbewegungen zur hochgenauen Positionierung bei der Inspektion oder Manipulation. Eine Bewegung des gesamten Automaten kann dabei gegebenenfalls nicht fein genug gesteuert werden. Vorteilhaft kann das Teleskopglied auch bei der Überbrückung größerer Löcher oder Spalten im Untergrund eingesetzt werden. Erwähnt sei an dieser Stelle noch speziell die mögliche Ausführung eines Kippgliedes mit einem zwischen den Anschlußschnittstellen gespannten, von einem Motor gegengleich auf- und abwickelbaren Seil. Es handelt sich hierbei um eine gut funktionierende, aber dennoch einfache und robuste Bauweise. Da das Seil immer unter Spannung gehalten wird, wird ein hohes Dreh- bzw. Haltemoment erreicht. Deshalb ist es möglich, daß der Automat in seiner Fortbewegung schlangenähnlich aufgerichtet werden kann. Er kann so beispielsweise in Seitenarme des Rohrsystems mit Einmündungen oberhalb der Kanalsohle mit einer Kamera hineinschauen oder sogar gegebenenfalls hineinfahren. Auch für Inspektionen oder Manipulationen′ in Rohren mit größerem Durchmesser kann die Aufrichtmöglichkeit vorteilhaft eingesetzt werden.

Neben der großen Gruppe der aktiven Moduln mit einem inneren Antrieb gibt es erfindungsgemäß die Gruppe der passiven Moduln, die weder einen inneren noch einen äußeren Antrieb aufweisen. Allgemein dienen die passiven Moduln während der Verfahrbewegung zur selbsttätigen Anpassung des Automaten beispielsweise durch Umfahren, Abfangen oder Ausgleichen an Unregelmäßigkeiten in der umgebenden Begrenzungsfläche und in der Fortbewegung des Automaten. Sie vergleichmäßigen die Kraftübertragung und können so die Moduln mit ihren gegebenenfalls vorhandenen empfindlichen Aufbauten vor Beschädigungen bewahren. Auch kleine Abweichungen bei der gesteuerten Ausrichtung der aktiven Moduln können ausgeglichen werden. Insgesamt erhöhen die passiven Moduln die Beweglichkeit des Automaten in hohem Maße. Zu jedem aktiven Modul existiert ein passives Modul, das sich in seiner Konstruktion wesentlich von diesem unterscheiden kann. Erfindungsgemäß sind vorteilhafterweise einzelne Moduln in Form von passiven Biegegliedern ausgeführt, bei denen sich die Anschlußschnittstellen in einem konstruktiv vorgegebenen Maß beliebig zueinander bewegen können, wobei eine Rückstellkraft auf die Anschlußschnittstellen in Richtung ihrer Grundstellung einwirkt. Derartige Biegeglieder können konstruktiv so aufgebaut sein, daß beispielsweise über federnde Elemente Bewegungen wie Torsion, Kippen in alle drei Raumrichtungen, Dehnen und Stauchen ausgeführt werden können. Eine Verteilung der Ausgleichsbewegungen auf verschiedene passive Moduln ist auch möglich. Die Rückstellkraft sorgt für die reversible Anpassung der Moduln an die äußeren Krafteinwirkungen. Zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich konstruktiver Details der passiven Moduln, zu denen auch ein passives Rollglied zählt, das ähnlich dem aktiven Rollglied aufgebaut sein kann und der Unterstützung des Automaten an beliebigen Stellen dient, beispielsweise vor und hinter lastentragenden Moduln, wird wiederum auf die Ausführungen im speziellen Beschreibungsteil verwiesen.

Die Steuerung des Automaten erfolgt computerunterstützt. Jedes Modul, vornehmlich die aktiven, in der Kette erhält seine eigene Busadresse und kann entsprechend angesteuert werden. Die Ansteuerung kann das Modul selbst oder Lasten, die es trägt, zu Bewegungen veranlassen. Die Kontrolle der Positionierungen erfolgt über entsprechend vorgesehene Sensoren, beispielsweise über Potentiometer an den Motorachsen. Ein serieller Bus wird durch alle Moduln über die Anschlußschnittstellen durchgeschleift. Er kann als CAN-Bus ausgeführt und im Differenzenverfahren betrieben werden. Er kann aber auch als Ein-Draht-Leitung benutzt werden. Dann bleibt ein entsprechender Busanschluß unbenutzt. Vorteilhaft ist es nach einer Erfindungsausgestaltung, wenn die Steuerung der Automatenbewegungen nach dem Manipulatorprinzip erfolgt. Dazu wird aus antriebslosen Moduln - Dreh- Kipp- und Lineargliedern - entsprechend der Automatenanordnung eine Steuereinheit aufgebaut, bei der die einzelnen Glieder manuell bewegt werden. Der Steuer-Rechner liest die Einstellungen der einzelnen Glieder ab und steuert entsprechend die Stellung des gesamten Automaten. Besonders wichtig bei dieser Art der Steuerung ist die Berücksichtigung der Winkelstellung der Kippglieder, da sie die dreidimensionale Beweglichkeit der Schlange bewirken.

Erfindungsgemäß kann der Automat in seiner Energie- und Datenversorgung autonom oder halbautonom betrieben werden. Bei der halbautonomen Ausführung ist der Automat über Kabel mit dem Steuerrechner und der Spannungsversorgung verbunden. Bei der autonomen Ausführung trägt er beides, beispielsweise auf einem Lastenmodul am Ende der Schlangenanordnung, mit sich. Diese Maßnahme erhöht den Aktionsradius der Anordnung.

Der beschriebene elektronisch steuerbare Automat eignet sich besonders zur Inspektion und Manipulation in schwer zugänglichen Bereichen, wie beispielsweise Rohren und Industrieanlagen, und in Bereichen, in denen eine besonders hoch ausgebildete räumliche Beweglichkeit der Anordnung erforderlich ist. Die variabel konfigurierbare Modulbauweise ermöglicht eine kostengünstige Fertigung durch Anfertigung hoher Stückzahlen, bei der trotzdem eine große Anwendungspalette realisiert werden kann. Durch entsprechende Auswahl der einzusetzenden Moduln und ihrer Anordnung im Automaten können nahezu alle auftretenden Aufgaben bewältigt werden. Dabei ist die Zahl der möglichen Anwendungen umso größer, je kleiner die Systemabmessungen gewählt werden. Je nach Anwendungsfall ist es dem Benutzer überlassen, einen einmal fertig konfigurierten Automaten in seiner Anordnung zu belassen und im Bedarfsfall aus einer umfassenden Anzahl von verschiedenen Moduln einen anderen zu konzipieren oder immer wieder eine Anordnung zu zerlegen und bei einer neuen Aufgabe mit gegebenenfalls weiteren oder anderen Moduln zu einem anderen Automaten zusammenzufügen.

In den nachfolgend beschriebenen Figuren sind vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung, insbesondere auch konstruktive Ausgestaltungen einzelner Moduln, schematisch dargestellt. Es zeigt im einzelnen

Fig. 1 eine Übersichtsmatrix der möglichen Moduln,

Fig. 2 eine Ausführungsform eines aktiven Kippglieds in der Seitenansicht,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines aktiven Drehglieds in der Seitenansicht,

Fig. 4 eine Ausführungsform eines aktiven Linearglieds in der Seitenansicht,

Fig. 5 eine Ausführungsform eines aktiven Rollglieds in der Seitenansicht,

Fig. 6 eine Ausführungsform eines passiven Biegeglieds in der Seitenansicht,

Fig. 7 eine Ausführungsform eines aktiven Lastenglieds in der Seitenansicht,

Fig. 8 drei Ausführungsformen einer formschlüssigen Anschlußschnitt­ stellenverbindung,

Fig. 9 zwei Ausführungsformen einer kraftschlüssigen Anschlußschnitt­ stellenverbindung,

Fig. 10 ein Modul in fertig ausgeführter Bauart und

Fig. 11 eine mögliche Konfiguration des erfindungsgemäßen Automaten in einem dreidimensionalen Rohrleitungssystem.

Die in Fig. 1 dargestellte Übersichtsmatrix aller möglicher Moduln stellt eine Hilfe bei der aufgabenorientierten Konfiguration möglicher Automaten dar. Die Matrix ist in zwei Spalten aufgeteilt: die linke Spalte führt alle aktiven Moduln (gekennzeichnet mit einem M für Motor) und die rechte Spalte alle passiven Moduln auf. Die bei den passiven Moduln gegebenenfalls erforderliche, mit zunehmender Auslenkung anwachsende Rückstellkraft zur Erreichung der Ausgangslage nach einer Auslenkung wird rein mechanisch erzeugt und ist durch den Buchstaben R angedeutet. Wie zu erkennen ist, entsprechen die einzelnen Modultypen einander. Oben rechts in der Matrix sind zwei als Flansche F1 und F2 ausgebildete Anschlußschnittstellen dargestellt, die einander längsachsenzentral gegenüberliegen. Zu besseren Erläuterung der möglichen Flanschbewegungen ist ein kartesisches Koordinatensystem mit den Koordinaten x, y und z (Längsachse) dargestellt.

Die Zeile 1 zeigt den Modultyp T1, "Kippglied", bei dem beide Flansche F1 und F2 um eine zur x- bzw. y-Achse parallele Achse rotieren können. Die Verwendung des Wortes "Kippen" deutet darauf hin, daß die Rotationsbewegung begrenzt ist. Je nach konstruktiver Ausführung kann das Kippglied auch in der x-y-Ebene rotieren, d. h. daß die Flansche F1, F2 auch jede Zwischenstellung einnehmen können.

Die Zeile 2 zeigt den Modultyp T2, "Drehglied", bei dem beide Flansche F1 und F2 um die z-Achse zueinander verdreht werden können. Das aktive Drehglied kann fortlaufend Volldrehungen auch mit Richtungsänderungen ausführen. Das passive Drehglied bewegt sich mit rückstellbaren Torsionsbewegungen unter einem konstruktiv bedingten maximalen Auslenkungswinkel.

Die Zeile 3 zeigt den Modultyp T3, "Linearglied", bei dem der Flanschabstand unter Beibehaltung der Flächennormalen in z-Richtung verändert werden kann. Das passive Linearglied kann auch als "Dehnglied" bezeichnet werden, da seine Längenänderung elastisch bewirkt wird.

Die passiven Moduln der Zeilen 1, 2 und 3 können auch in einem gemeinsamen Modultyp als "Biegeglied" zusammengefaßt werden. Da die passiven Moduln dem selbsttätigen Störungsausgleich dienen, ist eine derartige Kombination besonders günstig, zumal sie relativ einfach zu realisieren ist.

Die Zeile 4 zeigt den Modultyp T4, "Rollglied". Beim aktiven Rollglied wird ein äußerer Antrieb durch von einem inneren Antrieb bewegte Rollelemente erzeugt, die mit der äußeren Umgebung um das Modul herum in Wechselwirkung treten. Der ganze Automat kann so fortbewegt werden. Das passive Rollglied dient dessen Abstützung.

Die Zeilen 5, 6 und 7 zeigen den Modultyp "Lastenglied" in verschiedenen Variationen. Bei dem aktiven Lastenglied können aufgebrachte Einrichtungen angesteuert werden. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine bewegliche Kamera (Zeile 5, T5, "Beobachtungsglied"), ein Analysegerät (Zeile 6, T6, "Meßglied") oder ein Werkzeug oder einen Manipulator (Zeile 7, T7, "Arbeitsglied") handeln. Zu allen aktiven Lastengliedern existieren entsprechende passive Lastenglieder mit gleichen Bezeichnungen, die starre Kameras, passive Meßinstrumente oder Reinigungsgeräte, wie beispielsweise einen Bürstenkranz tragen können. Ein nur passiv auftretendes Lastenglied kann die Versorgungseinheit oder den Steuercomputer tragen, wie es für die autonome Betriebsweise erforderlich ist. Ein ebenfalls nur passiv auftretendes Modul ist das einfache "Verlängerungsglied" T8, wie es in Zeile 8 schematisch angedeutet ist. Es kann beispielsweise eingesetzt werden, um innerhalb des Automaten zwischen einzelnen Moduln vorgeschriebene Abstände einhalten zu können oder um eine erforderliche Gesamtlänge des Automaten zu erreichen.

Um die Systematik der möglichen Modultypen T1 . . . T8 aufzuzeigen, wurden alle Typen einzeln dargestellt. Im Einzelfall, besonders unter dem Bestreben einer einfachen und kompakten Konstruktion, kann es von Vorteil sein, einzelne Modultypen als Kombination anderer zu konzipieren. Die Möglichkeiten sind praktisch nur der konstruktiven Realisation unterworfen.

Im folgenden werden einige Erläuterungen zu konstruktiven Ausführungsmöglichkeiten einzelner Modultypen gegeben. Es sei aber darauf hingewiesen, daß auch bereits bekannte Konstruktionen, beispielsweise aus dem eingangs genannten Stand der Technik, für eine Realisation in Frage kommen können. Gleiches gilt für den Einsatz bereits bekannter technischer Möglichkeiten für die Realisation der erforderlichen Bewegungen, beispielsweise die steuerbare Abstandsänderung zwischen zwei Flanschen über ein elektrostatisch beeinflußbares, wellenförmiges Gitter. Bei allen dargestellten Moduln wird nur deren Innenleben gezeigt, ein fertig ausgeführtes Modul ist der Fig. 10 zu entnehmen.

Das in der Fig. 2 dargestellte Kippglied 1 ist in kompakter Form konzentrisch zu der strichpunktiert dargestellten Längsachse aufgebaut. Es weist in längsaxialer Richtung eine wesentlich geringere Ausdehnung auf als radial. Das Kippglied 1 besteht aus einem ersten Motorträger 2 und einem zweiten Motorträger 3, die an einer Achse 4 beweglich gelagert sind. Der Motorträger 2 weist eine Anschlußschnittstelle in Form eines Flansches 5 auf, der bezüglich der Längsachse einem weiteren Flansch 6 des zweiten Motorträgers 3 zentral gegenüberliegt. Die Flansche 5 und 6 sind ihrem Aufbau identisch. Sie weisen zur paarigen Verbindung mit Nachbarmoduln jeweils vier, der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellte, längsachsensymmetrisch angeordnete Durchgangsbohrungen auf. Die Bohrungen sind so angeordnet, daß Nachbarmoduln auch um 90 Grad verdreht angeordnet und verbunden werden können. Ebenfalls nicht weiter dargestellt sind eine Reihe von kleineren, um die Durchgangsbohrungen herum angeordneten Bohrungen auf beiden Flanschen 5, 6 zur Durchführung von Versorgungs- und Steuerleitungen. Die Flansche 5, 6 sind rechteckig, wobei die Längskante senkrecht zur Zeichenebene nur ungefähr halb so lang ist wie die in der Seitenansicht dargestellte Längskante. In der Mitte der Flansche 5, 6 ist jeweils eine tiefe Nut 7, 8 gestrichelt angedeutet, in der Seilrollen 9, 10 angeordnet sind. Zwischen den Motorträgern 2, 3 ist rechts und links der Längsachse ein Seil 11, 12 gespannt, das über die Seilrollen 9, 10 mehrfach umgelenkt ist. An seinem äußeren Ende 13, 14 ist jedes Seil 11, 12 mit dem Motorträger 2 bzw. 3 fest verbunden. An seinem inneren Ende 15, 16 ist jedes Seil 11, 12 auf einen Wickelmotor 17, 18 aufgewickelt. Dabei ist der Wickelmotor 17 auf dem Motorträger 2 und der Wickelmotor 18 auf dem Motorträger 3 angeordnet.

Zum Kippen des Kippgliedes 1 empfängt eine nicht weiter dargestellte Steuerelektronik über einen seriellen Bus von einem Steuerrechner Befehle. Diese Befehle werden entweder aus momentan von einer Kamera gesendeten Bildern des Automaten oder nach dem Manipulatorprinzip abgeleitet. Zum Kippen nach rechts wird das Seil 12 auf den Wickelmotor 18 aufgewickelt, während das Seil 11 vom Wickelmotor 17 abgewickelt wird. Beim Kippen nach links erfolgt der Vorgang in umgekehrter Richtung. Zum Halten werden beide Motoren 17, 18 abgeschaltet. In allen drei Betriebsarten bleiben die Seile 11, 12 unter Spannung. Dadurch wird ein hohes Dreh- bzw. Haltemoment erreicht, mit dem, wie schon weiter oben erläutert, aufrichtende Bewegungen des Automaten möglich sind. Eine unterschiedliche Dimensionierung der Drehmomente wie bei einem einseitig festgelegten Roboterarm ist nicht erforderlich. Nach der Ausführung jeder Kippbewegung sendet die Steuerelektronik entsprechende Statusmeldungen zurück. Hierzu wird die Stellung von zwei, jeweils mit der Achse des Wickelmotors 17, 18 starr verbundenen mehrgängigen Potentiometern, die die Drehbewegungen synchron mitmachen, als Positionierungskontrolle erfaßt. Da die Potentiometer entsprechend kalibriert sind, kann dann der Steuerrechner aus den Meldungen den jeweiligen Kippwinkel des Kippglieds 1 errechnen.

In der Fig. 3 ist ein aktives Drehglied 20 dargestellt. Es weist zwei Flansche 21, 22 auf, die in der allen Moduln gemeinsamen gleichen konstruktiven Art gestaltet sein können. Die Flansche 21, 22 weisen an ihrer Unterseite jeweils einen Zahnkranz 23, 24 auf, in den Zahnräder 25, 26, 27 und 28 eingreifen. Alle Zahnräder 25 . . . 28 sind konzentrisch um die strichpunktiert angedeutete Längsachse z auf den Achsen x und y angeordnet. Da die Seitenansicht des Drehgliedes 20 dargestellt ist, sind nur die Zahnräder 25 und 26 zu erkennen. In der Mitte des Drehgliedes 20 befindet sich ein Motor 30, der über zwei Träger 31, 32 mit den Flanschen 21, 22 drehbar verbunden ist. Der Motor 30 treibt über eine Achse 33 das Zahnrad 25 an. Die anderen Zahnräder 26 . . . 28 dienen der Abstandshaltung zwischen den Flanschen 21, 22. Das Zahnrad 26 ist an einem Mehrgangpotentiometer 34 als Positionierungskontrolle befestigt das seinerseits fest mit dem Motor 30 verbunden ist. Die beiden nicht dargestellten Zahnräder 27 und 28 sind über entsprechende Lager fest mit der Außenseite des Motors 30 verbunden. Je nach Drehrichtung des Motors 30 verdrehen sich die Flansche 21, 22 zueinander. Dabei sind auch volle Umdrehungen möglich.

Die Fig. 4 zeigt eine aktives Linearglied 40, bei dem zwei entsprechend aufgebaute Flansche 41, 42 teleskopartig entlang der strichpunktiert angedeuteten Längsachse aus- und zueinander verfahren werden können. Dazu weist der Flansch 42 einen Motorträger 43 auf, an dessen Unterseite drei ineinander eingreifende Zahnräder 44, 45, 46 drehbar gelagert sind. Das mittlere Zahnrad 45 wird von einem Motor 47 angetrieben. Die beiden äußeren Zahnräder 44 und 46 sind fest mit in Lagern 48,49 gehaltenen Gewindestangen 50, 51 verbunden. Diese greifen jeweils in Gewindemuttern 52, 53, die über Halter 54, 55 mit dem Flansch 41 fest verbunden sind. Beim Betrieb des Motors 47 bewegen sich beide Gewindemuttern 52, 53 synchron auf- bzw. abwärts und verschieben so die Flansche 41, 42 in Richtung der Längsachse z.

Die Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines aktiven Rollglieds 60. Dabei sind zwei Flansche 61, 62 über einen Motorträger 63 in festem längsaxialen Abstand miteinander verbunden. Weiterhin fest mit dem Motorträger 63 sind ein Antriebsmotor 64 und zwei Federbeine 65, 66 verbunden. Die Federbeine 65, 66 tragen gelagerte Rollen 67, 68, die sich an der äußeren Umgebung abstützen. Der Antrieb der Rollen 67, 68 erfolgt über einen Treibriemen 69, der zum gegengleichen Antrieb der Rollen 67, 68 einmal verdreht ist. Zur Straffhaltung des Treibriemens 69 bei federnden Rollen 67, 68 während der Fortbewegung, die je nach Motordrehrichtung vorwärts oder rückwärts erfolgen kann, wird dieser über einen Straffhalter 70 geführt.

In der Fig. 6 ist ein passives Modul in Form eines Biegeglieds 80 dargestellt. Ein derartiges Biegeglied 80 erlaubt die Rotation seiner beiden Flansche 81, 82 in alle Raumrichtungen um die strichpunktiert dargestellte Längsachse. Auch Dehnungen und Stauchungen entlang der Längsachse sind möglich. Die Flansche 81, 82 sind über drei, um 120 Grad zueinander versetzt angeordnete Spiralfedern 83, 84, 85 fest miteinander verbunden. Diese Spiralfedern 83, 84, 85 erlauben aufgrund ihrer Federkennlinie in einem bestimmten Maße die große Beweglichkeit der Flansche 81, 82 und erzeugen gleichzeitig die erforderliche Rückstellkraft in die Ausgangsposition der Flansche 81, 82 nach erfolgter Auslenkung. Ein derartiges, einfach aufgebautes Biegeglied 80 gleicht selbsttätig alle äußeren Störeinflüsse auf den Automaten sicher aus.

Die Fig. 7 schließlich zeigt ein aktives Lastenglied in Form eines Beobachtungsglieds 90 mit zwei fest zueinander positionierten Flanschen 91, 92. Dieses Beobachtungsglied 90 ist für den Einsatz am Automatenanfang geeignet, da es innerhalb des einen Flansches 91 eine erste Kamera 93 aufweist, die den Weg des Automaten registrieren kann. Seitlich dazu ist eine zweite Kamera 94 angeordnet, die beispielsweise die Rohrwandung inspizieren kann. Beide Kameras 93, 94 können von einem Motor 95, der seine Steuerbefehle über die Busleitung von dem Steuercomputer erhält, verfahren werden.

Die Fig. 8 und 9 zeigen mögliche Ausführungsformen der Anschlußschnitt­ stellenverbindung. Diese Verbindung kann mit beliebigen Koppelelementen ausgeführt werden, als besonders vorteilhaft erweisen sich jedoch Flanschverbindungen, da sie eine definierte Anlagefläche zwischen den Moduln gewährleisten. Außerdem können sie bequem Versorgungs- und Steuerleitungen passieren lassen. Alle Moduln in einem Automaten weisen dieselbe Anschlußschnittstellenverbindung zur Erzielung der flexiblen Konfiguration auf. Dabei können bei formschlüssigen Kopplungen die Anschlußflansche einander paarig entsprechen oder bei kraftschlüssigen Kopplungen identisch aufgebaut sein.

Die Fig. 8 zeigt im Querschnitt zwei Flansche 100, 101, die auf drei unterschiedliche Arten formschlüssig miteinander verbunden sind. Im linken Teil der Fig. 8 ist eine Kopplung mit stufenförmigen, positiven bzw. negativen Absätzen 102 in beiden Flanschen 100, 101 zu deren winkelabhängiger Positionierung zueinander dargestellt. Der Kraftschluß wird mit in Durchgangsbohrungen 103 steckenden Schrauben 104 und Muttern 105 hergestellt. Die Absätze 102 und Durchgangsbohrungen 103 sind so auf den Flanschen 100, 101 angeordnet, daß verschiedene Winkelpositionierungen möglich sind. Sie sind entweder symmetrisch zur Flanschachse oder auf einem Teilkreis angeordnet. Gleiches gilt für die Verbindung im mittleren Teil der Fig. 8. Hier weist der Flansch 100 fest eingeschraubte Bundbolzen 106 auf, die durch Paßbohrungen 107 im Flansch 101 geführt und mit Muttern 108 verschraubt sind. Im rechten Teil der Fig. 8 ist ein Bajonettverschluß 109 angedeutet.

Die Fig. 9 zeigt zwei kraftschlüssige Verbindungsmöglichkeiten, die eine winkelbezogene kontinuierliche Kopplung zweier Flansche 110, 111 erlauben. Diese sind bevorzugt rund und weisen an ihrem Rand eine Paßnut 112 zur achsensymmetrischen Passung auf. Im linken Teil der Fig. 9 ist eine Kistenklammer 113 dargestellt, die über einen Absatz 114 im unteren Flansch 111 greift. Am Umfang können beispielsweise vier Kistenklammern 113 angeordnet sein. Eine derartige Verbindung ist einfach und schnell lösbar, was insbesondere bei einer häufigen Umfiguration des Automaten von großem Vorteil ist. Etwas aufwendiger ist die im rechten Teil der Fig. 9 dargestellte Verbindungsmöglichkeit mit zwei, in die Flansche 110, 111 eingelassene (oder auf sie aufgebrachte) Magnetplatten 115, 116. Diese sind vorzugsweise elektrisch steuerbar, um die Haltekraft beeinflussen zu können.

In der Fig. 10 ist ein einzelnes Modul 120 dargestellt, wie es in fertig ausgeführter Form vorliegen kann. Es handelt sich im Beispiel um ein aktives Kippmodul. Es ist um die strichpunktiert angedeutete Längsachse kompakt in Zylinderform ausgeführt und weist zwei kreisrunde Flansche 121, 122 auf, die entlang ihres Randes große Bohrungen 123 zur Kopplung mit Nachbarmoduln und kleine Bohrungen 124 zum Durchziehen der Versorgungs- und Steuerleitungen tragen. Bei rotierenden Moduln werden die Leitungen über Kontaktstreifen durchgeschleift. Zwischen den Flanschen 121, 122 ist abschließend ein flexibler Faltenbalg 125 angeordnet, der das Innere des Moduls 120 sicher vor Verschmutzungen und Beschädigungen schützt, aber trotzdem dessen Beweglichkeit nicht behindert.

Die Grundfiguration des erfindungsgemäßen Automaten ist die Aneinanderreihung von einzelnen Kippgliedern, die den Schlangenkörper nachbilden. Entsprechend erfolgt bei dieser Grundfiguration die Fortbewegung selbsttätig schlangen- oder raupenartig. Ein äußerer Antrieb ist in diesem Falle nicht vorhanden, Arbeitsmoduln können entsprechend zwischengeschaltet sein. Je geringer die Anzahl der einzelnen Modultypen in einem System ist, desto größer ist des Einsatzpalette bei unverändertem Aufbau. Andererseits weist ein maximales Multisystem, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, mit einer Vielzahl unterschiedlicher Moduln auch eine große Flexibilität für den Einsatzfall auf, wobei dann immer nur die jeweils benötigten Moduln aktiviert werden.

In der Fig. 11 ist eine mögliche Konfiguration des erfindungsgemäßen Automaten 130 in einem dreidimensionalen, teilweise aufgeschnitten dargestellten Rohrleitungssystem 131 gezeigt. Die einzelnen Moduln wurden entsprechend ihrer räumlichen Hauptstruktur zylinderförmig dargestellt, die umkreisten Ziffern für die einzelnen Modultypen sind der Fig. 1 zu entnehmen. Besonders gut ist die lineare Ausbildung des Automaten 130 zu erkennen. Weiterhin ist die große Anzahl von hintereinanderliegenden, quasi einen Roboterarm bildenden Kippgliedern zu bemerken, die dem Automaten 130 die schlangenartige Beweglichkeit im Raum verleihen. Drehglieder an Anfang und Ende der Roboterarme ermöglichen deren richtige Positionierung bezüglich scharfer Kurven und Abzweige. Am Anfang und am Ende des Automaten 130 ist jeweils ein aktives Rollglied angeordnet. Passive Rollglieder zur Unterstützung des Automaten liegen zwischen den einzelnen Armen aus Kippgliedern, ebenso entsprechend den Aufgaben des Automaten weitere Moduln mit unterschiedlichen Funktionsweisen. Passive Moduln kompensieren Störungen durch den inneren und äußeren Bewegungsablauf des Automaten und durch die ihn umgebende, äußere Begrenzung. Insgesamt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Automaten in modularer Bauweise um ein äußerst variabel einzusetzendes Gerät, dessen Anwendungsmöglichkeiten sehr weitreichend sind.

Bezugszeichenliste

M Motor
R Rückstellkraft
F1 erster Flansch
F2 zweiter Flansch
x, y, z Raumachsen
T1 Kippglied (aktiv/passiv)
T2 Drehglied (aktiv/passiv)
T3 Linearglied (aktiv/passiv)
T4 Rollglied (aktiv/passiv)
T5 Lastenglied (Beobachtungsglied, aktiv/passiv)
T6 Lastenglied (Meßglied, aktiv/passiv)
T7 Lastenglied (Arbeitsglied, aktiv/passiv)
T8 Verlängerungsglied (passiv)
1 Kippglied
2, 3 Motorträger
4 Achse
5, 6 Flansch
7, 8 Nut
9, 10 Seilrolle
11, 12 Seil
13, 14 äußeres Ende von 11, 12
15, 16 inneres Ende von 11, 12
17, 18 Wickelmotor
20 Drehglied
21, 22 Flansch
23, 24 Zahnkranz
25, 26, 27, 28 Zahnrad
29
30 Motor
31, 32 Träger
33 Achse
34 Mehrgangpotentiometer
40 Linearglied
41, 42 Flansch
43 Motorträger
44, 45, 46 Zahnrad
47 Motor
48, 49 Lager
50, 51 Gewindestange
52, 53 Gewindemutter
54, 55 Halter
60 Rollglied
61, 62 Flansch
63 Motorträger
64 Antriebsmotor
65, 66 Federbein
67, 68 Rolle
69 Treibriemen
70 Straffhalter
80 Biegeglied
81, 82 Flansch
83, 84, 85 Spiralfeder
90 Lastenglied
91, 92 Flansch
93, 94 Kamera
95 Motor
100, 101 Flansch
102 Absatz
103 Durchgangsbohrung
104 Schraube
105 Mutter
106 Bundbolzen
107 Paßbohrung
108 Mutter
109 Bajonettverschluß
110, 111 Flansch
112 Paßnut
113 Kistenklammer
114, 115 Magnetplatte
120 Modul
121, 122 Flansch
123 große Bohrung
124 kleine Bohrung
125 Faltenbalg
130 Automat
131 Rohrleitungssystem.

Claims (13)

1. Elektronisch steuerbarer Automat mit Positionierungskontrolle in variabel konfigurierbarer Modulbauweise aus unterschiedlichen Moduln zumindest in Form von aktiven, mit einem inneren Antrieb versehenen Dreh- und Lineargliedern, wobei die aktiven Drehglieder als Rotations- oder Kippglieder ausgeführt sind und zwei einander längsachsenzentral gegenüberliegende Anschlußschnittstellen zur in unterschiedlichen Winkelpositionierungen zueinander möglichen Kopplung des physikalischen und logischen Wirkungsflusses mit anderen Moduln aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß alle Moduln des Automaten zwei paarig koppelbare Anschlußschnittstellen aufweisen, die einander längsachsenzentral gegenüberliegen, alle Moduln in kompakter Form annähernd konzentrisch zu ihrer Längsachse aufgebaut sind und daß mehrere Kippglieder in zumindest mittelbarer Reihenabfolge zur Erzeugung einer schlangenartigen räumlichen Beweglichkeit mit linearem Wirkungsfluß miteinander gekoppelt sind.

2. Automat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modul in Form eines aktiven Rollgliedes einen äußeren Antrieb aufweist, der der Fortbewegung des gesamten Automaten dient.

3. Automat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Moduln axial eine wesentlich geringere Ausdehnung aufweisen als radial.

4. Automat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den hintereinanderliegenden Kippgliedern unter Aufrechterhaltung der schlangenartigen Beweglichkeit des Automaten andere Moduln angeordnet sind.

5. Automat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Winkelpositionierungen zwischen den Anschlußstellen zweier Moduln als fest vorgegebene Positionsmöglichkeiten durch Vorsehen von Verbindungsflanschen mit formschlüssigen Fixierungselementen erreicht werden.

6. Automat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelpositionierungen zwischen den Anschlußschnittstellen zweier Moduln kontinuierlich einstellbar sind.

7. Automat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierlichen Winkelpositionierungen durch Vorsehen von Verbindungsflanschen mit kraftschlüssigen Fixierungselementen erreicht werden.

8. Automat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Moduln zur Aufnahme von weiteren Einrichtungen ausgebildet sind.

9. Automat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modul als aktives Linearglied ausgeführt ist, bei dem die längsachsenzentral gegenüberliegenden Anschlußschnittstellen in ihrem längsaxialen Abstand zueinander veränderbar sind.

10. Automat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Moduln in passiver Form ohne inneren und äußeren Antrieb ausgeführt sind.

11. Automat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Moduln in Form von passiven Biegegliedern ausgeführt sind, bei denen sich die Anschlußschnittstellen in einem konstruktiv vorgegebenen Maß beliebig zueinander bewegen können, wobei eine Rückstellkraft auf die Anschlußschnittstellen in Richtung ihrer Grundstellung einwirkt.

12. Automat nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Automatenbewegungen nach dem Manipulatorprinzip erfolgt.

13. Automat nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Automat in seiner Energie- und Datenversorgung autonom oder halbautonom betrieben wird.