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20.04.2017 | Tunnelbau | Im Fokus | Onlineartikel

Roboter-Wartungssystem für Tunnelbohrmaschinen

Autor:
Christoph Berger

Im internationalen Verbundprojekt Nettun wurde ein Roboter-Wartungssystem für Tunnelbohrmaschinen entwickelt. Mit ihm sollen sich Routineaufgaben automatisiert und Wartungsarbeiten über eine teilautonome Fernsteuerung durchführen lassen.

Der im Verbundprojekt Nettun – die Abkürzung steht für Neue Technologien für Tunnel- und Tiefbauarbeiten – entwickelte Wartungsroboter hat den Namen Hector erhalten. Der Roboterarm hat zwei Greifer, verfügt über fünf Freiheitsgrade auf sieben beweglichen Achsen und besitzt eine Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Steuerung.

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Tunnelbau

Geschichtliches, Bezeichnungen im Tunnelbau (wie „Firste“ usw.), Vortrieb, Bauweisen (Vollausbruch, Kalottenvortrieb, Ulmenstollenvortrieb), Sprengvortrieb, Schildvortrieb, TBM-Vortrieb, Behandlung des Bergwassers (Abdichten - Dränieren).


"Ein cyber-physisches Gefüge beschreibt auf abstrakte Weise die Beziehung zwischen Mensch und Cyber-Physischem System (CPS), welches darin in eine physische und virtuelle, digitale Komponente aufgeteilt wird", schreiben Dominic Gorecky, Mathias Schmitt, und Dr. Matthias Loskyll im Kapitel "Mensch-Maschine-Interaktion im Industrie 4.0-Zeitalter" des Springer-Fachbuchs "Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik". Die Wechselwirkung zwischen Mensch und CPS erfolge dabei entweder durch unmittelbare Manipulation (Beziehung Mensch-Physikalische Komponente) oder mit Hilfe einer vermittelnden Benutzungsschnittstelle.

Sicherheit und Effizienz

Die Schnittstelle bei Hector in Form einer ergonomischen 3D-Maus besitzt eine graphische Benutzeroberfläche mit Statusanzeige, Simulations- und Live-Kameraansicht. Die Software zur High-Level-Steuerung des Robotersystems soll es möglich machen, den Arm und die Greifer mithilfe der 3D-Maus gleichzeitig und unabhängig voneinander zu betätigen – dies umfasse sowohl die Steuerung der einzelnen Achsen und des Endeffektors als auch die teilautonome Bewegungssteuerung, wie das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) mitteilt, von dem unter anderem die High-Level-Steuerung entwickelt wurde.

Kommt Hector zum Einsatz, dann soll er zum einen Routineaufgaben übernehmen, zum Beispiel die Inspektion und den Austausch von Bohrwerkzeugen. Mithilfe der teilautonomen Fernsteuerung sollen aber auch komplexe Inspektions- und Wartungsarbeiten durchgeführt werden können. So sollen Sicherheit und Effizienz erreicht werden, etwa Leerlaufzeiten werden der Wartung vermieden werden. So heißt es beispielsweise auch im Kapitel "Tunnelbau" des Springer-Fachbuchs "Geotechnik": "Das Auswechseln der Rollenmeißel und die damit verknüpfte Stillstandzeit sind ein wichtiger Kostenfaktor beim Vortrieb." Daher versuche man, die Verschleißbarkeit der Rollenmeißel sowie die anderer Bohrwerkzeuge mit diversen empirischen „Abrasivitatsversuchen“ zu erfassen und vorauszusagen.

Live-Kamerabilder und Sensorinformationen

Die DFKI-Wissenschaftler beschreiben, dass sich das Robotersystem in einer typischen Aufgabensequenz zunächst in einer Schutzkammer der Tunnelbohrmaschine befindet. Wird es gebraucht, verlässt es diese und bewegt sich automatisch auf eine vordefinierte Position. Dort kann der menschliche Operator den Roboter auf eine geeignete Position bewegen, der Modus wird auf Teleoperation umgestellt und der Operator führt es in den Schneidkopf der Bohrmaschine. Mithilfe des Live-Kamerabildes und der Sensorinformationen kann er die Schneidwerkzeuge aus sicherer Entfernung inspizieren. Durch die haptische Schnittstelle erhält er außerdem eine Rückmeldung über die Kräfte zwischen Greifer und Objekt. Identifiziert der Operator ein verbrauchtes oder defektes Schneidwerkzeug, wird dieses vom Wartungsroboter ausgetauscht.

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