Definition und exemplarische Realisation eines modularen Systems für die Kletterrobotik

Kletterroboter finden heute schon vielfältige Anwendung bei Reinigungs- und Inspektionsaufgaben. Dennoch sind aktuelle Kletterroboter Spezialentwicklungen mit einem oft eingeschränkten Anwendungsbereich. Mit Hilfe des modularen Ansatzes wird die Funktionsvariabilität solcher Systeme erweitert. Ein modularer Kletterroboter wird im Rahmen eines dreistufigen mechatronischen Entwurfsprozesses entwickelt, der sowohl mechanische als auch elektronische und informationelle Aspekte berücksichtigt. Ergebnisse dieses Konstruktionsprozesses sind zwei Bewegungsmodule, drei Greifmodule, ein Energiemodul, angepasste mechanische Verbinder zur Kopplung der Module und die modulinterne und -externe Elektronik. Durch Rekombination dieser Modultypen können unterschiedliche Roboterstrukturen aufgebaut werden. Die Kletterfähigkeit auf rundem Substrat einer Beispielkonfiguration wird nachgewiesen. Das entwickelte modulare System bietet das Potential für die zukünftige Entwicklung unterschiedlicher Kletterroboter.Current climbing robots are specialists, not generalists. Their climbing capability is often limited to one type of substrate and thus the field of application is restricted. This work aims at a significant increase in adaptability to different substrates. Therefore, a transfer of concepts from modular robotics into a climbing robot is approached. Climbing is considered as a special kind of locomotion. It is defined by generation of motion in combination with generation of substrate contact. Current climbing robots are classified by their type of locking technology and their type of locomotion. Requirements for the development process of the modular robot are derived from these classifications. The development of the modular system is implemented as a design process of mechatronic systems as described in the guideline VDI 2206 of the Association of German Engineers. The modular system is developed in three steps. First, the uniform components are defined in its mechanic, electronic and informatic components. In a second step, standardized components are developed, which are used as a base for the design process of different types of modules. These components are a basic frame and different mechanic and electronic connectors for coupling of modules. Furthermore, standardized electronics are used in the modular system for control and communication tasks. In the third step modules with different functions are designed and built: two motion modules, three locking modules and one energy-supply-module. For comparative studies, a certain configuration of the modular climbing robot is built. Therefore, three rotational and two gripping modules are combined. This robot is able to climb on cylindrical and pike-like substrates with different diameters. It could be shown, different climbing robots can be built up and be adapted to various types of substrate. Several parameters of climbing are quantified in experiments and compared to another climbing robot. The designed modular system is suitable as a base for building up different climbing robots.Ziel der Arbeit ist die Anwendung von Konzepten der modularen Robotik in der Kletterrobotik. Klettern als Fortbewegung beinhaltet die Generierung kraft- und momentübertragender Kontakte mit einem Substrat und die Erzeugung von Bewegung als zwei zentrale Aspekte aus funktioneller Sicht. Aktuelle Kletterroboter stellen Spezialentwicklungen mit einem oft eingeschränkten Anwendungsbereich dar. Die Kletterfähigkeit ist zumeist auf einen vorher definierten Substrattyp beschränkt. Mit Hilfe des modularen Ansatzes wird die Funktionsvariabilität im Rahmen dieser Arbeit erweitert. Aus einer darauf bezogenen Systematik, die aktuelle Kletterrobotersysteme nach der Art des Substratkontakts und der Fortbewegung klassifiziert, werden Anforderungen für die Entwicklung eines modularen Kletterrobotersystems abgeleitet. Diese Entwicklung wird als dreistufiger Entwicklungsprozess nach dem V-Modell der Richtlinie VDI-R 2206 interpretiert. In der ersten Entwicklungsstufe wird eine einheitliche Schnittstelle definiert, über welche alle Module gekoppelt werden können. Darauf aufbauend werden in der zweiten Entwicklungsstufe einheitliche, für alle Module verwendbare Komponenten entworfen und konstruiert. Hierzu zählen ein mechanischer Modulrahmen als Grundlage für die Konstruktion und passende mechanische Verbinder zur Kopplung zwischen den Modulen. Des Weiteren wird eine für alle Module zu verwendende Elektronik vorgeschlagen, welche aus einer modulinternen und einer Kommunikationselektronik besteht. Unter Verwendung der einheitlichen Komponenten werden in der dritten Stufe die Funktionsmodule entwickelt. Exemplarisch werden zwei Bewegungsmodule, drei Greifmodule und ein Energiemodul realisiert. Als Nachweis der Funktionsfähigkeit wird eine Konfiguration aus dem modularen System erstellt, welche eine Kletterfähigkeit auf rundem Substrat besitzt. Als Vergleichssystem steht ein nicht-modulares Robotersystem zur Verfügung. Der Vergleich konstruktionsunabhängiger Parameter zeigt eine Kletterfähigkeit des modularen Systems ähnlich der des integrierten Systems