Mobile Inspektionsroboter kriechen mit Magneträdern über Pipelines und ermitteln mit speziellen Sensoren kritische Stellen: Was wie Zukunftsmusik klingt, ist längst Realität. Doch sobald diese Roboter gewartet und inspiziert werden müssen, führte bisher kein Weg am Menschen vorbei.
Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt (DLR) ist es nun im EU-Projekt ARCAS (Aerial Robotics Cooperative Assembly System) erstmals gelungen, einen industriellen robotischen Greifarm mit sieben Freiheitsgraden in ein autonom fliegendes Hubschrauber-System zu integrieren. Damit ist es ohne Gefahr möglich die Roboter auf den Pipelines zu inspizieren und zu warten. Ähnliche Systeme könnten auch zur Wartung von Satelliten oder sogar zum Aufbau von Habitaten auf anderen Planeten eingesetzt werden.
Roboarm ersetzt menschliche Hand
Der Mensch möchte schon lange intelligente Werkzeuge zur Inspektion von Pipelines und Industrie-Anlagen einsetzen. Der Grund ist einfach: Um an schwer erreichbare Stellen zu gelangen, müssen Gerüste aufgebaut werden – das ist aufwändig, teuer und extrem gefährlich. Deshalb übernehmen mehr und mehr Roboter diese Aufgaben. Hier setzen die Wissenschaftler des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik aus Oberpfaffenhofen an. Die Vision: Mit dem Greifarm-System am autonomen Hubschrauber soll in schwer erreichbaren oder gefährlichen Stellen die menschliche Hand ersetzt werden.
Für diese Forschungsarbeiten wurde der Doppelrotor-Hubschrauber der Firma SwissDrones verwendet. Um die gewünschte Position zu erreichen, navigiert das System autonom mit GPS. Dort angekommen, wechselt es auf ein präzises Bildverarbeitungssystem, das auf mehreren eingebauten Kameras basiert. So kann der Inspektionsroboter genau geortet und der Greifarm präzise am Objekt platziert werden. Bei dem aktuellen Entwicklungsstand des Systems ist es möglich, den magnetischen Wartungsroboter bis auf einen Zentimeter genau zu greifen. Einmal vom Arm ergriffen, kann der Hubschrauber den Wartungsroboter autonom an eine sichere Stelle transportieren oder in der Zukunft auch über ihm schwebend direkt vor Ort reparieren.
In jedem der sieben Gelenke des Arms sind zudem „Kraft-Momenten-Sensoren“ eingebaut. Sie sorgen dafür, dass der robotische Arm selbständig zurückgeht, wenn Gegenstände in der Umgebung ungewollt berührt werden. Dabei können Objekte mit einer Masse von bis zu acht Kilogramm gegriffen werden. Die entwickelten Algorithmen verbinden die Steuerung des robotischen Greifarms mit der Steuerung des Hubschraubers, um den gegenseitigen Einfluss zu minimieren. Das sichert die Stabilität des Gesamtsystems und die hohe Präzision des Greifens.
Großes Potential
Das System kann aber nicht nur für die Reparatur von Wartungsrobotern eingesetzt werden. Die Möglichkeiten zur Anwendung sind so vielseitig wie spannend: Mehrere Greifarme könnten von einer oder von mehreren mobilen Plattformen aus defekte Satelliten reparieren, auf der ISS neue Module installieren oder beim Aufbau eines Mondhabitats helfen. Nach Meinung der DLR-Wissenschaftler sind die mathematischen und technologischen Fragestellungen in diesen Anwendungsfällen sehr ähnlich – die neue Technologie ist erst der Beginn völlig neuer Möglichkeiten.
Teile der Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des DLR-Projekts HELMAN (HELicopter based MANipulator) durchgeführt. Im Nachfolgeprojekt AEROARMS (AErial RObotics System integrating multiple ARMS and advanced manipulation capabilities for inspection and maintenance) wird die Technologie bis zur industriellen Anwendung entwickelt. Das Projekt findet im Rahmen des EU-Programms Horizon2020 statt. Neben dem DLR sind die Universität Sevilla, LAAS-CNRS, Consorzio C.R.E.A.T.E., FADA-CATEC, TÜV Nord, UPS-CSIC, Elektra UAS, Alstom Inspection Robotics und Sensima Insepction SARL beteiligt.
Auf den Fotos
Flettner Hubschrauber: Für die Forschungsarbeiten wurde ein Doppelrotor-Hubschrauber der Firma SwissDrones verwendet (Quelle: DLR CC-BY 3.0).
Aufnahme und Transport eines mobilen Inspektionsroboters mit Hilfe eines fliegenden Leichtbau-Roboterarms mit sieben Freiheitsgraden: In jedem der sieben Gelenke des Arms sind zudem „Kraft-Momenten-Sensoren“ eingebaut, die dafür sorgen, dass der robotische Arm selbständig zurückgeht, wenn Gegenstände in der Umgebung ungewollt berührt werden. Dabei können Objekte mit einer Masse von bis zu acht Kilogramm gegriffen werden. Die entwickelten Algorithmen verbinden die Steuerung des robotischen Greifarms mit der Steuerung des Hubschraubers, um den gegenseitigen Einfluss zu minimieren und somit die Stabilität des Gesamtsystems und hohe Präzision des Greifens zu erreichen. Ein redundanter Freiheitsgrad wird zur besseren Ausnutzung des Arbeitsraumes und zur Minimierung des Einflusses auf den Hubschrauber benutzt (Quelle: DLR CC-BY 3.0).
Fliegender Arm: Autonomer Flettner-Hubschrauber mit integriertem robotischen Arm – 7 Freiheitsgrade (Quelle: DLR CC-BY 3.0).
