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Forschungsprojekt

Wartungsroboter im Tunnelbau

| Redakteur: Beate Christmann

Wartungsroboter Hector im Einsatz: Er soll automatisiert sowiel teilautomatisiert ferngesteuert gefährliche Inspektions- und Wartungsaufgaben im Tunnelbau übernehmen. Die Entwickler versprechen sich nicht nur mehr Sicherheit für die Bauarbeiter, sondern auch eine erhöhte Effizienz des Bauprozesses.
Wartungsroboter Hector im Einsatz: Er soll automatisiert sowiel teilautomatisiert ferngesteuert gefährliche Inspektions- und Wartungsaufgaben im Tunnelbau übernehmen. Die Entwickler versprechen sich nicht nur mehr Sicherheit für die Bauarbeiter, sondern auch eine erhöhte Effizienz des Bauprozesses. (Bild: DFKI)

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Das Verbundprojekt Nettun (Neue Technologien für Tunnel- und Tiefbauarbeiten) will den Tunnelbau sicherer und effizienter gestalten. Die Wissenschaftler haben ein Wartungssystem entwickelt, bei dem Roboter Hector gefährliche Routineaufgaben, etwa die Inspektion von Tunnelbohrmaschinen und den Austausch von Bohrwerkzeugen, automatisiert sowie komplexe Wartungsarbeiten teilautonom ferngesteuert übernimmt.

Der Tunnelbau ist ein gefährliches Einsatzgebiet für Bauarbeiter. Um diesen sicherer zu machen, haben Teilnehmer des Verbundprojekts Nettun (Neue Technologien für Tunnel- und Tiefbauarbeiten) ein robustes Roboterwartungssystem entwickelt, das die Automatisierung von Routineaufgaben ermöglicht. Roboter Hector soll künftig beispielsweise die Inspektion sowie den Austausch von Bohrwerkzeugen übernehmen.

Alle Aspekte des Tunnelbaus unter der Lupe

Doch das ist nicht alles: Nettun adressierte alle Aspekte des Tunnelbaus und zielte auf deren Verbesserung, vom Bau über das Management bis hin zur Wartung von Tunnelbauwerken. Dies beinhaltete unter anderem die Entwicklung von Schneidwerkzeugen mit deutlich erhöhter Lebensdauer, eines modernen Multi-Sensor-Bodenvorhersagesystems für schnelles und effektives Vorrausschauen während des Bohrens sowie von Systemen zur Kontrolle der Auswirkungen des Tunnelbaus auf umgebende Strukturen.

Eine entscheidende Zielsetzung von Nettun, welche das DFKI Robotics Innovation Centers unter Leitung von Prof. Dr. Frank Kirchner gemeinsam mit der Firma NFM Technologies verfolgte, lag auf der Erhöhung der Sicherheit und Effizienz beim Bohrvorgang. Sie entwickelten ein robustes Roboter-Wartungssystem für Tunnelbohrmaschinen, das nicht nur die Automatisierung von Routineaufgaben, sondern auch die Bewältigung von komplexen Inspektions- und Wartungsarbeiten durch teilautonome Fernsteuerung ermöglicht. Auf diese Weise sollen sich zum Beispiel die Produktivität der Bohrarbeiten steigern lassen, da Leerlaufzeiten während der Wartung vermieden werden. Gleichzeitig verringert sich das Risiko für die menschlichen Betreiber, deren Präsenz in der gefährlichen Umgebung nicht mehr unbedingt notwendig ist.

Mensch-Maschine-Interaktion

Das entwickelte System setzt sich aus dem mit zwei Greifern ausgestatteten Roboterarm Hector, der über fünf Freiheitsgrade auf sieben beweglichen Achsen verfügt sowie aus einer vom Robotics Innovation Center konzipierten Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Steuerung des Roboters zusammen. Die Schnittstelle in Form einer ergonomischen 3D-Maus besitzt eine graphische Benutzeroberfläche mit Statusanzeige, Simulations- und Live-Kameraansicht. Die Software zur High-Level-Steuerung des Robotersystems, die ebenfalls vom DFKI entwickelt wurde, ermöglicht es, den Arm und die Greifer mithilfe der 3D-Maus gleichzeitig und unabhängig voneinander zu betätigen – dies umfasst sowohl die Steuerung der einzelnen Achsen und des Endeffektors als auch die teilautonome Bewegungssteuerung.

In einer typischen Aufgabensequenz befindet sich das Robotersystem zunächst innerhalb einer Schutzkammer in der Tunnelbohrmaschine. Von dort bewegt es sich automatisch auf eine vordefinierte Position außerhalb der Kammer. Je nach zu inspizierendem Werkzeug kann der menschliche Operator den Roboter nun auf eine geeignete Position bewegen. Sobald das System die gewünschte Position erreicht hat, wird der Modus auf Teleoperation umgestellt und der Operator führt es in den Schneidkopf der Bohrmaschine. Dank des Live-Kamerabildes und der Sensorinformationen kann er so die Schneidwerkzeuge aus sicherer Entfernung inspizieren. Dabei erhält er durch die haptische Schnittstelle eine Rückmeldung über die Kräfte zwischen Greifer und Objekt. In dem Fall, dass der Operator ein verbrauchtes oder defektes Schneidwerkzeug identifiziert, wird dieses vom Wartungsroboter ausgetauscht.

Internationale Beteiligung

Das Projekt Nettun wurde vom 01. September 2012 bis zum 28. Februar 2017 von der Europäischen Union im Rahmen des 7. EU-Forschungsrahmenprogramms unter der Finanzierungsvereinbarung Nr. 280712 gefördert. Neben dem DFKI und NFM Technologies gehörten folgende Partner zum internationalen Projektkonsortium: École Centrale de Lyon (Koordinator), BG Ingénieurs Conseils SA, Delft University of Technology, National Technical University of Athens, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Ingegneria dei Sistemi S.p.A., Inexia, École Nationale des Travaux Publics de l’État, ME2i, Metro C S.p.A., Obrascón Huarte Lain (OHL), Razel-Bec, University of Leeds, Société Nationale des Chemins de fer Français, Tallinn University of Technology, Università degli studi di Roma Tor Vergata, Université de Limoges, Cistème, MI Partners.

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