Technischer Bereich
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Die Erfindung betrifft einen fortbewegbaren Roboter mit einer Trägereinheit
und einer Manipulatoreinheit, wobei die Trägereinheit eine axiale Fortbewegung in
einer Rohrleitung bewirkt und zwei oder mehrere gegenseitig bewegbare Einheiten
umfaßt, wobei jede der bewegbaren Einheiten vorzugsweise mit drei
hervorstehenden Armen mit Kontaktflächen zum Anliegen an der Innenfläche des Rohrs
versehen ist, derart daß die bewegbaren Einheiten relativ zu dem Rohr befestigbar sind.
Stand der Technik
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In der Norwegischen veröffentlichen Beschreibung Nr. 155 232 wird ein mit
Selbstantrieb versehener Rohrmolch mit einer aus zwei Teilen bestehenden
Schreitvorrichtung offenbart. Die Schreitvorrichtung umfaßt ein Vorwärtsschreitelement
und ein Rückwärtsschreitelement, die jeweils mit einer Vorrichtung zum
Festspannen desselben an der Innenseite des Rohrs versehen sind. Eines dieser Elemente ist
ferner mit Antriebsmitteln zur Axialbewegung des Vorwärtsschreitelementeinheit
relativ zu dem Rückwärtsschreitelement versehen. Dieser Rohrmolch kann jedoch
keine Hindernisse in Form von Rohrvorsprüngen in dem Rohr passieren. Viele
Rohrverbindungen in Kernkraftwerken sind mit solchen den Innendurchmesser des
Rohres vermindernden Hindernissen belastet.
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In dem Deutschen Patent Nr. 3 419 683 (das dem EP-Patent Nr. 0 170.609
entspricht) wird ein Rohrmolch zum Anzeigen von Fehlern an der Innenseite eines
Rohres offenbart. Der Rohrmolch umfaßt zwei untereinander verschobene
bewegbare Einheiten. Eine dieser Einheiten ist mit drei hervorstehenden Armen versehen, die
an die Innenfläche des Rohrs anstoßen können, wobei an den Enden der Arme
verschwenkbar angeordnete Rollen vorgesehen sind. Die Arme können sich um die
Längsachse drehen, damit der Rohrmolch irgendwelche Hindernisse passieren kann,
z. B. in Form von Vorsprüngen in dem Rohr, wobei diese Hindernisse mit Hilfe
einer Fernsehkamera erfaßt werden. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist, daß die
Fortbewegung der vollständigen Einheit von der durch eine Anzahl von Rollen (Rädem)
an der Innenfläche des Rohrs erzeugten Reibung abhängt. Die Reibung kommt
nicht zustande, wenn wesentliche Teile der Rohrinnenfläche durch andere Teile
einer geometrischen Struktur ersetzt werden, die von der Struktur der ursprünglichen
Rohrfläche abweicht. Das ist oft in komplizierten Rohrleitungen in Kernkraftwerken
der Fall. Aus dem gleichen Grunde, und auch wenn die Räder an die Rohrwandung
anstoßen, können die Räder nicht ohne Schlupf rollen. Dadurch ist es weniger
möglich, eine genaue Position festzustellen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flexibleren bewegbaren
Roboter bereitzustellen, wodurch die genaue Position in einfacherer Weise als bisher
bekannt festgestellt werden kann.
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Ein Roboter der obigen Art gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch
eine Drehverbindung und eine prismatische Verbindung, die die zwei oder mehreren
gegenseitig bewegbaren Einheiten miteinander verbinden, wobei die prismatische
Verbindung und die Drehverbindung durch unterschiedliche Mittel gesteuert
werden, und dadurch, daß eine der bewegbaren Einheiten relativ zu dem Rohr festgelegt
ist, wobei mindestens eine der anderen bewegbaren Einheiten relativ dazu bewegbar
ist und die andere bewegbare Einheit relativ zu der festgelegten Einheit, die als
ortsfester Bezug für die andere Einheit dient, drehbar sowie verschiebbar ist.
Infolgedessen kann jederzeit für die genaue Position des Roboters gesorgt werden, wobei
die Position kontinuierlich relativ zu einer ortsfesten Bezugsposition eingestellt
wird. Die ortsfeste Bezugsposition ist nicht im üblichen Sinn ortsfest, sondern wird
von dem gegenwärtig ortsfesten Teil des zweiteiligen bewegbaren Roboters
festgelegt. Die Genauigkeit ist derart, daß das Bewegungsmuster beim Einbringen des
Roboters auch beim Zurückziehen verwendet werden kann, da das Bewegungsmuster
in diesem Falle in der entgegengesetzten Abfolge erfolgt.
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Weiterhin kann der Roboter so angepaßt werden, daß jede Gruppe von
Beinen entsprechend dem "Regenschirmprinzip" synchron in die Trägereinheit und aus
der Trägereinheit bewegbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im folgenden ausführlicher an Hand der beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, in denen
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Fig. 2 den erfindungsgemäßen Roboter mit einer Trägereinheit und einer
Manipulatoreinheit darstellt,
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Fig. 3 den Bewegungszyklus der Trägereinheit darstellt,
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Fig. 4 darstellt, wie der Roboter zufällig zwischen Hindernisse in dem Rohr
gelangen kann,
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Fig. 5 eine Explosionsdarstellung der Trägereinheit ist,
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Fig. 6 eine Werkzeugmanipulatoreinheit der Trägereinheit darstellt, und
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Fig. 7 ein Ablaufschema eines Programms zum Steuern des Roboters
darstellt.
Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung wird ein bewegbarer Roboter zur internen Kontrolle
eines Rohrsystems bereitgestellt. Für den Aufbau des Roboters sind folgende
Kriterien wesentlich:
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1. Der Roboter darf nicht in dem Rohr steckenbleiben.
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2. Der Roboter soll innere Hindernisse in dem Rohr und in Rohren ohne genaue
Bestimmung passieren können.
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3. Die Anwendbarkeit soll so umfangreich wie möglich sein.
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Angesichts der Gefahr von Funktionsstörungen sind alle Bauteile in der
Trägereinheit doppelt vorhanden.
Anwendbarkeit
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Die bestmögliche Anwendbarkeit wird mit Hilfe einer
Werkzeugmanipulatoreinheit mit sechs Achsen erzielt. Eine solche Werkzeugmanipulatoreinheit ist in
vielerlei Hinsicht vorteilhaft. Es können mehrere Werkzeuge in einer solchen
Einheit angebracht werden, wodurch es möglich wird, zwischen verschiedenen
Werkzeugen hin und her zu wechseln, ohne den Roboter aus dem Rohr zu entfernen.
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Die Ziele zum Dimensionieren des Roboters sind die folgenden:
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- Für mehrere Rohrabmessungen soll der gleiche Roboter verwendet werden.
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- Es sollte stets möglich sein, den Roboter unabhängig von seiner Position in der
Leitung und selbst dann zu entfernen, wenn er ohne Leistung oder außer
Kontrolle ist.
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- Die Manipulatoreinheit soll die äußerste Flexibilität aufweisen, so daß es
praktisch keine Grenzen für die verwendeten Werkzeuge gibt.
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Die Hauptbauteile des Inspektionssystems sind in Fig. 1 gezeigt. Die
Hauptbauteile sind die Trägereinheit und die daran angebrachte bewegbare
Manipulatoreinheit. Die Werkzeuge können an der Manipulatoreinheit angebracht
werden. Die Trägereinheit ist in Fig. 2 gezeigt. Zum Einbringen/Entfernen des Roboters
in die bzw. aus der Rohrleitung können verschiedene Einbringeinheiten verwendet
werden, oder der Roboter kann von Hand eingebracht werden.
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Der Roboter ist mit einem externen Steuerungssystem mit Hardware und
Software für die Simulation und Überwachung des Roboters verbunden. Das System
umfaßt ferner Sensoren und Registriereinheiten für die Steuerung und Überwachung
des Roboters. Bei Bedarf können Kameras zur visuellen Kontrolle der Rohrleitung
angebracht werden. Im folgenden werden die einzelnen Bauteile ausführlich
beschrieben.
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Die Trägereinheit beruht auf einem Fahrschlittenprinzip und ist mit zwei
Gruppen von Beinen 4, 5 versehen. Die Beine 4, 5 sind in getrennten Teilen der
Trägereinheit angeordnet. Die zwei Teile sind durch eine Drehverbindung und eine
prismatische Verbindung miteinander verbunden. Durch die Verbindung kann sich
die Trägereinheit in Rohren und Rohrleitungen vorwärts und rückwärts bewegen
und irgendwelche Hindernisse darin passieren. Jede Gruppen von Beinen umfaßt
drei Beine. Am Ende jedes Beins 4, 5 ist eine kreisförmige Reibungsunterlage 4a, 5a
mit einer federbelasteten Kugel vorgesehen.
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Jede Gruppe von Beinen 4, 5 kann entsprechend dem "Regenschirmprinzip"
synchron hinein- und herausbewegt werden, um eine Zentrierung der Trägereinheit
und einen festen Kontakt zwischen den Reibungsunterlagen 4a, 5a und der
Rohrfläche sicherzustellen Die Beine 4, 5, die Drehverbindung 8 und die prismatische
Verbindung 7 werden alle über doppeltwirkende Pneumatikzylinder mit Energie
versorgt, die mit Encodern versehen sind, die eine Positionierung der Beine 4, 5
ermöglichen und mithin für Flexibilität sorgen, um Schwankungen im Durchmesser
des Rohres auszugleichen. Infolgedessen ist die Pneumatik gegenüber
Schwankungen im Rohrdurchmesser zuverlässig und kann Überlastungen aushalten, die die
Trägereinheit beschädigen könnten. Jedes der Beine ist außerdem mit einem
Sensormechanismus versehen, z. B. in Form eines Drucksensors. Der
Sensormechanismus kann Einflüsse aus allen Richtungen registrieren.
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Die Trägereinheit wird durch Ausfahren/Zusammenziehen der vorderen
Beine 5; der hinteren Beine 4 und der prismatischen Verbindung in einer speziellen
zyklischen Reihenfolge in dem Rohr vorwärts und rückwärts bewegt, zur
Veranschaulichung dieses Zyklus vgl. Fig. 3.
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Der Roboter kann Hindernisse in Form von Löchern oder Gegenständen in
dem Rohr passieren, vgl. Fig. 4. Es ist eine Drehverbindung 8 vorgesehen, damit der
Roboter die Hindernisse 21 in dem Rohr passieren kann. Infolgedessen können die
Beine relativ zu den Hindernissen 21 eingestellt werden und diese passieren. Der
Roboter kann eng beabstandete Hindernisse passieren, da sich die Trägereinheit auf
der Stelle drehen kann, ohne sich in dem Rohr vorwärts oder rückwärts zu bewegen.
Die erste Gruppe von Beinen dreht sich durch Einziehen der Beine, so daß die
Reibungsunterlagen 4a oder 5a nicht mehr an die Rohrwandung anstoßen, die
federbelasteten Kugeln jedoch immer noch an die Wandung anstoßen. In Kombination mit
einem Steuerungs-/Positionierungssystem kann die Drehverbindung 8 auch verwendet
werden, um die Trägereinheit in einer gewählten Ausrichtung zu halten und
mithin äußere Faktoren zu kompensieren, die ansonsten die Ausrichtung der
Trägereinheit beeinflussen können. Das Steuerungssystem für die die Beine bewegenden
Pneumatikzylinder ist so angepaßt, daß in dem Falle, daß ein Bein unabsichtlich in
ein Loch in der Rohrwandung geschoben wird, nur ein Abschnitt, der einem den
Rohrdurchmesser an der Position der Trägereinheit um 10 mm überschreitenden
Durchmesser entspricht, in das Loch geschoben wird. Mithin ist es stets möglich,
das Bein zurückzuziehen und zu drehen.
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Die Reibungsunterlagen 4a, 5a an den Beinen 4, 5 werden weiter derart
abgestützt, daß sie sich auf die Innenfläche des Rohres einstellen können, wenn die
Trägereinheit in einem Rohrknie bewegt wird.
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Das Prinzip der Trägereinheit wird nicht nur deshalb gewählt, weil sich
dadurch die Trägereinheit in dem Rohr herumbewegen und Hindernisse 21 passieren
kann, sondern auch deshalb, weil nur vergleichsweise wenige und einfache Teile
erforderlich sind.
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Die Trägereinheit ist torpedoförmig und besitzt einen Durchmesser von
annähernd 330 mm. Die Beine lassen sich vollständig zurückziehen und versehen
mithin die Trägereinheit mit einer glatten Oberfläche, so daß die Gefahr vermindert
wird, daß die Trägereinheit an Hindernissen hängenbleibt, wenn sie bei Versagen,
beispielsweise bei Leistungsausfall und/oder bei Fehlern in den Steuerungssignalen,
zurückgezogen wird. Die Beine sind derart federbelastet, daß sie bei einem
Leistungsausfall in die Trägereinheit zurückgezogen werden.
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Die Trägereinheit kann mit zusätzlichen Sensoren versehen werden,
beispielsweise mit Drucksensoren zum Registrieren von Hindernissen.
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Die Trägereinheit umfaßt zwei Aluminiumrahmen, die mit Hilfe der Dreh-
und der prismatischen Verbindung miteinander verbunden sind. Jedes Bein ist aus
einem Aluminiumstab und aus einem mit Hilfe eines Pneumatikzylinders 12 auf
jedem der Aluminiumstäbe verschieblichen Gleitstück 22 ausgebildet. Wie oben erwähnt,
sind die Beine jeder Gruppe von Beinen mit Hilfe eines regenschirmartigen
Systems miteinander verbunden, so daß eine Synchronbewegung der Beine gesichert
ist. Die prismatische Verbindung wird mit Hilfe von drei Pneumatikzylindern 7
gesteuert, die mit Führungen verbunden sind. Die Drehverbindung wird mit Hilfe von
zwei Pneumatikzylindern 8 gesteuert, die eine Drehung bis zu 50º ermöglichen.
Durch Verdoppelung der Anzahl der Zylinder für jede Bewegung kann das
Steuerungssystem als zwei unabhängige Systeme ausgebildet werden. Wenn nur ein
System in Betrieb ist, ist die Trägereinheit immer noch funktionsfähig, wodurch das
Entfernen der Trägereinheit und der Manipulatoreinheit möglich ist. Infolgedessen
erhöht sich die Sicherheit des Systems. Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit ist das
Pneumatiksystem mit Ventilen versehen, die automatisch den Luftdruck auf der
"sich ausdehnenden Seite" der Pneumatikzylinderkolben auslösen und mithin die
Federn in die Lage versetzen, die Beine in die Trägereinheit zurückzuziehen, falls
beide Systeme ausfallen.
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In der Mitte der Trägereinheit ist ein wasserdichter Behälter 3 für die
Steuerungselektronik vorgesehen, und es sind Ventile für die Trägereinheit wie auch für
die Manipulatoreinheit vorgesehen. Der Behälter 3 ist in unabhängige Kammern
unterteilt, derart daß jede der beiden unabhängigen Steuerungssysteme in eine
gesonderte Kammer eingebracht werden kann.
Manipulatoreinheit
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Damit die zu verwendenden Werkzeuge optimal flexibel werden, kann der
Roboter, wie weiter oben erwähnt, mit einer Manipulatoreinheit mit sechs
Freiheitsgraden versehen werden. Infolgedessen können die Werkzeuge an jede Position in
dem zu kontrollierenden System gelangen.
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Die dritte Achse des Manipulators ist ein Teleskoparm, vgl. Fig. 6. Die erste
Achse entspricht der Drehung der Manipulatoreinheit um die Mittelachse der
Trägereinheit. Die Achse wird mit Hilfe eines Motors in der Trägereinheit eingeschaltet.
Die zweite Achse ist die Schulter des Teleskoparms. Die Verbindung wird mit Hilfe
von zwei Linearmotoren mit Kugelgelenken bewegt. Der Teleskoparm umfaßt drei
Elemente zur Erweiterung des Funktionsraums und wird mit Hilfe eines
Kugelgelenks betätigt. Durch Verwendung von Kugelgelenken zum Bewegen der Achsen
2 und 3 wird sichergestellt, daß die Achsen nicht selbstsperrend sind, wodurch die
eingebauten Federn die Achsen im Falle eines Leistungsausfalls zurückziehen
können. Das Ende des Teleskoparms ist mit einer "Hand" versehen, an der die
Werkzeuge befestigt werden können.
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Die Manipulatoreinheit kann mit Gruppen von Überwachungskameras mit
Lichtquellen versehen werden. Zudem ist ein Verbindungskasten für Werkzeuge am
Ende des Teleskoparms vorgesehen.
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Je nach der Größe der verwendeten Werkzeuge und dem zu kontrollierenden
System kann die Manipulatoreinheit gleichzeitig mit mehreren verschiedenen
Werkzeugen versehen werden.
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Zur Überwachung und Steuerung des Roboters werden vier Sensoren
verwendet. Zwei Sensoren sind an der Trägereinheit angebracht, und einer von diesen
hat eine Sicht nach hinten, während der andere eine Sicht nach der Seite hat. Zwei
Sensoren sind an dem Arm der Manipulatoreinheit eingebracht (Fig. 6) und können
zum Positionieren der Manipulatoreinheit, zur Steuerung der Bewegungen der
Trägereinheit und zur Überwachung der Werkzeuge verwendet werden.
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Das Positionierungssystem für den Roboter ist in die zwei Systeme unterteilt,
nämlich in ein System für die Trägereinheit und ein System für die
Manipulatoreinheit. Hinsichtlich der Hardware sind die zwei Systeme unabhängig. Zur
Feststellung einer absoluten Position des speziellen Werkzeugs können die zwei
Systeme jedoch zusammenwirken. Das Positionssystem der Trägereinheit sorgt für die
Position der Trägereinheit relativ zu einem System von Bezugskoordinaten an dem
Testwerkstück, während das Positionssystem der Manipulatoreinheit für die absolute
Position des Werkzeugs relativ zu dem Bezugssystem an der Trägereinheit sorgt.
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Die Trägereinheit ist mit drei Positionsüberwachungssystemen versehen.
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1. einem Encoder an der prismatischen Verbindung und an der
Drehverbindung.
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2. seitlichen Sensoren, vorzugsweise Drucksensoren, zur Beobachtung
charakteristischer Merkmale mit einer bekannten Position in dem Testwerkstück.
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3. einem Gyroskop, das für die Position und die Ausrichtung der Trägereinheit
relativ zu der neuesten geeichten Position sorgt.
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Die Trägereinheit wird in eine Position bewegt, wo der Sensor ein Merkmal
mit einer bekannten Position in dem System von Bezugskoordinaten erkennt, und
die Position der Trägereinheit wird auf der Basis der Position dieses Merkmals in
der Sensoranzeige und der Position des Sensors an der Trägereinheit geändert, vgl.
das Positionsüberwachungssystem Nr. 2. Als Option für den seitlichen Sensor
gemeinsam mit der Position und dem Steuerungssystem der Manipulatoreinheit kann
ein Sensor mit einer bekannten Position an der Manipulatoreinheit zur Neueichung
der Position der Trägereinheit verwendet werden.
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Das dritte Positionssystem ist der gyroskopische Positionssensor. Dieser
Sensor sorgt für die Position der Trägereinheit im Arbeitsbereich relativ zu der Position
der letzten Eichung des Systems. Der Sensor schätzt die Position mit Hilfe von
Signalen von drei Gyroskopen und drei Beschleunigungsmessern ein. Wenn das System
kontinuierlich in Betrieb ist, weichen die tatsächliche Position und die geschätzte
Position voneinander ab. Der Unterschied pro Zeiteinheit richtet sich unter anderem
von äußeren Faktoren und von der Genauigkeit des Sensors. Zum Beseitigen des
Unterschieds kann der Sensor mit Hilfe des Positionsüberwachungssystems Nr. 2
neu geeicht werden.
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Wie weiter oben erwähnt, sind alle Achsen der Manipulatoreinheit mit
Encodern versehen. Durch Verwendung bekannter gemessener Positionen des Systems
der Werkzeugkoordinaten relativ zu dem Werkzeugflansch der Manipulatoreinheit
kann das Steuerungssystem der Manipulatoreinheit die absolute Position relativ zu
der Trägereinheit einschätzen. Werden absolute Encoder verwendet, ist eine
Neueichung der Manipulatoreinheit bei einem Ausfall der Leistungsversorgung unnötig.
Steuerungs-Hardware
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Die Steuerungs-Hardware des Roboters umfaßt zwei Schaltungen A und B.
Schaltung A ist die Hauptschaltung, die mit Achsen an der Trägereinheit und der
Manipulatoreinheit verbundene Aktuatoren steuert. Schaltung B ist eine
Sekundärschaltung, die mit Achsen an der Trägereinheit und an Achse 2 an der
Manipulatoreinheit verbundene Aktuatoren (zum Drehen des Tekeskoparms) steuert. Beide
Schaltungen sind während des normalen Betriebs in Funktion. Fällt eine der
Schaltungen aus, kann die andere Schaltung immer noch den Teleskoparm in seine
zurückgezogene Position drehen und die Trägereinheit mit vermindertem Druck an den
Beinen bewegen. Die Schaltungen sind mit unabhängigen Leistungsversorgungen,
elektrischen Leitern und Schläuchen im Hauptkabel versehen. Die
Steuerungselektronik besteht aus getrennten Modulen mit Steuerungs- und
Kommunikationselektronik. Die Module kommunizieren durch ein örtliches Ringnetz. Die
Kommunikation in dem Ringnetz und zwischen dem Ringnetz und einer Basisstation wird von
einem wahlweise mit zwei Ansteuerungsmodulen verbundenen Leitmodul gesteuert.
An das System können mit Hilfe von Hilfsverknüfungsmodulen, die einen
zusätzlichen Kommunikationscomputer und eine zusätzliche Leistungsversorgung
umfassen, zusätzliche Ansteuerungsmodule angeschlossen werden. In der Steuerungs-
Hardware werden drei verschiedene Ansteuerungsmodule verwendet. Eine Gs-
Motor-Ansteuerungseinheit ist im gleichen Gehäuse wie der Gs-Motor, eine
unabhängige Gs-Motor-Ansteuerungseinheit für drei kleinere Gs-Motoren und eine
Ventilsteuerungs-Ansteuerung für doppeltwirkende Pneumatikventile angeordnet.
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Das Leitmodul für die Schaltungen A und B kommuniziert mit dem
Computer des Steuerungssystems über serielle Schnittstellenverbindungen.
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Die Steuerungs-Hardware des Roboters steuert und überwacht die
Trägereinheit wie auch die Manipulatoreinheit.
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Die Steuerungs-Hardware des Roboters zur externen Überwachung wurde
mit Hilfe der ROBCAD-Offensystem-Umgebung (ROSE) und der
ROBCAD/Martell (Überwachungs- und Fernbedienungs-Umgebung) mit ROBCAD
CAD/CAM-Software entwickelt.
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Die Steuerungs-Software der Trägereinheit ist eine von den beiden Teilen der
Steuerungs-Software des Systems. Die Trägereinheit kann unabhängig von oder
gemeinsam mit der Manipulatoreinheit betrieben werden. Der Bedienungsperson
stehen folgende Steuerungsoptionen zur Verfügung:
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Bewegung von Verbindungen, wodurch jeder der vier Freiheitsgrade der
Trägereinheit separat gesteuert wird und die Bedienungsperson den Träger manuell
bewegen kann. Diese Freiheitsgrade sind folgende: 1) vordere Beine 3, 2) hintere
Beine 3, 3) prismatische Verbindung zwischen den vorderen Beinen und den
hinteren Beinen, 4) Drehverbindung zwischen den vorderen Beinen und den hinteren
Beinen.
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Durch Bewegen der Trägereinheit kann die Bedienungsperson diese mit
Hilfe von vorbestimmten Führungslinien nach hinten und nach vorn bewegen.
Weiterhin kann die Bedienungsperson die Drehverbindung zwischen den zwei Teilen
der Trägereinheit steuern.
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Die Manipulatoreinheit wird von dem zweiten Teil der Steuerungs-Software
gesteuert. Die Manipulatoreinheit wird unabhängig von oder gemeinsam mit der
entsprechenden Trägereinheit gesteuert.