DE10215325A1

DE10215325A1 - Roboter zur Inspektion und/oder Reinigung und/oder Sanierung von Kanälen

Info

Publication number: DE10215325A1
Application number: DE2002115325
Authority: DE
Inventors: Martin Altrock; Torsten Felsch; Jose Saenz; Norbert Elkmann; Mario Sack
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2003-10-23

Abstract

Es wird ein Roboter zur Inspektion und/oder Reinigung und/oder Sanierung von Kanälen, insbesondere Abwasserkanälen, mit einer Antriebs- und Führungseinrichtung für die Fortbewegung und/oder Positionierung, einer Sensoreinrichtung und/oder mindestens einem Werkzeug zur Reinigung und/oder Sanierung des Kanals vorgeschlagen. An einem Grundkörper sind ausfahrbare und/oder klappbare Stützen zum Abstützen an der Kanalwand montiert, wobei die Stützen im Bereich der Abstützflächen Antriebseinheiten für die Fortbewegung und/oder Positionierung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboter zur Inspektion und/oder Reinigung und/oder Sanierung von Kanälen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Die Betreiber von unterirdisch verlegten Kanälen mit geschlossenem Querschnitt, insbesondere von Abwasserkanälen (Misch- und Schmutzwasser) müssen regelmäßig den Kanalzustand erfassen und gegebenenfalls sanieren, um die gesetzlichen Vorschriften zu erfüllen. Zudem müssen Hindernisse und Ablagerungen im Kanal beseitigt werden, um die hydraulische Funktionalität des Kanals zu gewährleisten.
In der Regel werden heute Kanäle durch Begehung inspiziert und gereinigt. Es existieren vereinzelt Inspektions- und Reinigungssysteme, die ferngesteuert die Inspektion und Reinigung vornehmen. Diese Systeme beruhen bezüglich der Fortbewegung üblicherweise auf einen Mehrradwagen oder dem Raupenprinzip, wobei der Kanal für den Einsatz geleert bzw. umgeleitet werden muß. Dazu wurden bisher zwei Kanäle parallel verlegt, so daß durch Umleiten des Wassers immer ein Kanal in Betrieb war und ein Kanal geleert werden konnte. Beim Einsatz von Inspektions- und Reinigungssystemen in permanent teilgefüllten Abwasserkanälen wäre der Bau nur eines Kanals möglich, wodurch eine große Kosteneinsparung gegeben wäre.
Die heute angesetzten Inspektionssysteme in Form von Mehrradwagen oder entsprechend dem Raupenprinzip sind sehr eingeschränkt in ihrer Fortbewegungsmöglichkeit im Kanal. Ein Verfahren entlang des kompletten Kanals ist oftmals nicht möglich, wenn Hindernisse im Kanal die Weiterfahrt verhindern, wobei die Hindernisse sich naturgemäß in der Sohle des Kanals befinden, oder Schadensbilder im Kanal die vertikale oder horizontale Lageabweichungen an den Rohrverbindungen eine Querschnittsverminderung verursachen.
Der Schwerpunkt der Entwicklungen in den vergangenen Jahren im Bereich der Inspektionssysteme für Abwasserkanäle lag in der Inspektion von kleinen, nicht begehbaren Kanälen bis zu einem Durchmesser von 600 mm, die zudem in der Regel geleert sind.
Typische Schadensbilder in Kanälen sind Ablagerungen, Inkrustationen, Verformung, Hindernisse, Wurzeleinwuchs sowie horizontale und vertikale Lagerabweichungen, insbesondere an den Rohrverbindungen. Allen Schadensbildern ist gemeinsam, daß sie den Kanalquerschnitt einschränken bzw. vermindern. Gerade in Kanalabschnitten mit diesen Schadensbildern ist aber die Zustandserfassung des Kanals wichtig für den Nachweis der Dichtigkeit. Zudem muß die hydraulische Funktionalität des Kanals durch Beseitigung der Ablagerungen oder Hindernisse sichergestellt werden.
Der Einsatz von Mehrradwagen, Raupensystemen oder starren ringförmigen Systemen, wie Hohlzylindern ist an solchen Kanalabschnitten kritisch, im schlimmsten Fall verklemmt sich das Gerät im Kanal und stellt ein weiteres Hindernis dar. Außerdem können die oben genannten Schadensbilder dazu führen, daß die Inspektion oder Reinigung des Kanals abgebrochen werden muß, da die Fortbewegung des Systems im Kanal nicht möglich ist. Eine Inspektion und Reinigung ist dann nur durch Personen möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Roboter zur Inspektion und/oder Reinigung und/oder Sanierung von Kanälen, insbesondere Abwasserkanälen zu schaffen, der auch bei Querschnittsreduzierung und Verformung des Kanals sicher und zuverlässig arbeitet, wobei eine störungsfreie Bewegung den Kanal entlang ohne Verklemmen oder Verkanten sichergestellt wird. Dabei soll unter Roboter sowohl ein vollautomatisches, ein teilautomatisches und/oder ein ferngesteuertes System verstanden werden.

Dadurch, daß der Roboter einen Grundkörper aufweist, an dem ausfahrbare Stützen und/oder klappbare zum Abstützen an der Kanalwand vorgesehen sind, wobei die Stützen im Bereich der Abstützflächen Antriebseinheiten für die Fortbewegung und/oder Positionierung angeordnet sind, können die Stützen in ihrer Länge und/oder ihren Anstellwinkeln verändert werden, so daß eine Veränderung des Querschnitts des Kanals auf die Länge bzw. die Anstellwinkel der Stützen übertragen werden kann. Durch Positionieren der Stützen in der Weise, daß ein mögliches Hindernis, wie beispielsweise Ablagerungen auf dem Kanalboden in dem Zwischenraum zwischen zwei Stützen zu liegen kommt, kann das Hindernis leicht überfahren werden.

Auf diese Weise kann eine einwandfreie Bewegung des Roboters den Kanal entlang sichergestellt werden, so daß der Kanal durchgehend inspiziert, gereinigt oder saniert werden kann.

Der Roboter kann sich im gefüllten, teilgefüllten und abhängig vom Ausführungsbeispiel im geleerten Kanal bewegen. Ein Verklemmen des Roboters im Kanal kann nahezu ausgeschlossen werden und eine Begehung durch Personen ist überflüssig.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhaften Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Wenn der Grundkörper als Schwimmkörper ausgebildet ist, kann ein Teil des Antriebs für die Fortbewegung eingespart werden, da die Strömungsenergie ausgenutzt werden kann. Dabei ist die Schwimmgeschwindigkeit maximal gleich der Strömungsgeschwindigkeit und kann über ein nachgeführtes Seil gedrosselt werden.

Vorzugsweise werden Formänderungen des Kanals sowie Fremdkörper oder Hindernisse mit Hilfe von Sensoren erkannt, wobei abhängig von der Sensorerkennung sowohl die Positionierung, d. h. die Zentrierung des Roboters im Kanal als auch die Länge der Stützen ausgeglichen werden. Sollte insbesondere der Schwimmroboter sich im Kanal aufgrund von Hindernissen oder Querschnittsveränderungen festsetzen, so werden die Stützen eingefahren und eine neue Positionierung vorgenommen, wobei sich der Roboter schwimmend im Kanal bewegt.

Der Roboter kann als sogenannter "Stern", d. h. dem Grundkörper und mehrere Stützen ausgeführt sein, wobei auch mehrere "Sterne" hintereinander angeordnet sein können, die miteinander verbunden sind. Die Verbindungen können teleskopierbare Stangen sein, wodurch eine Fortbewegung realisiert werden kann.

In vorteilhafter Weise sind Antriebseinheiten in den Füßen der Stützen vorgesehen, wobei Rollen, Raupen, Walzen oder Räder verwendet werden können. Durch Verdrehen der Rollen, Räder, Walzen oder Raupen kann eine reine axiale, eine reine rotatorische und/oder eine kombinierte Bewegung im Kanal realisiert werden. Es sind auch "schreitende" Roboter denkbar, in diesem Fall weisen die Stützen teleskopierbare Stempel auf.

In vorteilhafter Weise kann zur Sicherung, Positionierung und Fortbewegung ein Seil unterstützend herangezogen werden, wobei der Roboter sich mittels Durchlaufwinde am Seil entlangziehen kann oder gezogen wird oder es wird ein vor- bzw. nachlaufendes Seil verwendet.

Vorzugsweise sind an den Stützen Werkzeuge zur Reinigung und/oder Sanierung angebracht, wodurch in Zusammenspiel mit der axialen und/oder umfänglichen Bewegung des Roboters die notwendige Reinigung und gegebenenfalls auch Sanierung durchgeführt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a) bis 1c) eine schematische Darstellung eines sternförmigen Roboters bzw. eines Roboters mit zwei Stützen in einem Kanal,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines dreibeinigen Sternroboters in einem teilweise aufgeschnittenen Abwasserkanal, und
Fig. 3 einen Schwimmroboter entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Der erfindungsgemäße Roboter 1 besteht, wie in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist, aus einem Grundkörper 2 und an den Grundkörper angebrachte Stützen 3, wobei an den Grundkörper 2 und/oder den Stützen 3 nicht dargestellte Antriebseinrichtungen, Sensoreinrichtungen und/oder Werkzeuge entsprechend dem jeweiligen Einsatzfall befestigt sind. Die Steuerung der Werkzeuge und der Antriebseinrichtungen und/oder der Sensorik kann über mit dem Roboter mitgeführte Steuer- und Übertragungsleitungen vorgenommen werden, die mit dem Außenraum verbunden sind. Der Roboter kann jedoch auch autonom sein, d. h. alle zur Steuerung notwendigen Elemente und die entsprechenden Energieversorgungen sind an dem Roboter angebracht. In Fig. 1a ist schematisch ein sternförmiger Roboter 1, d. h. ein Roboter mit drei Armen im Inneren eines Kanals 4 dargestellt. Die Arme sind teleskopierbar, d. h. sie sind in ihrer Länge veränderbar. Die Teleskopierbarkeit der Stützen 3 ermöglicht eine Anpassung an Änderungen des Querschnitts des Kanals 4. In Fig. 1 spreizen sich die drei teleskopierbaren Stützen 3 gleichmäßig vom Grundkörper 2 ab, vorzugsweise sind die Beine um 120° versetzt zueinander angeordnet. Die Stützen können auch klappbar gestaltet sein.
In den Fig. 1b und 1c sind lediglich zwei winklig zueinander angeordnete Stützen 3 vorgesehen. Der kleinste Winkel zwischen den Stützen 3 kann dabei zwischen 90° und 180° variieren, wobei der jeweilige Winkel in Abhängigkeit des späteren Einsatzes des Roboters festgelegt wird. In Fig. 2 ist in perspektivischer Weise ein Sternroboter im Kanal 4 dargestellt, der teilweise mit Wasser 5 gefüllt ist. Vorzugsweise weisen die Streben 3 in ihrem Querschnitt eine stromlinienförmige Geometrie auf, wodurch der Strömungswiderstand des Roboters 1 minimiert wird und das Festhängen von schwimmenden Gegenständen verringert bzw. verhindert wird. In den Stützen 3 sind nicht dargestellte Teleskopantriebe angeordnet, wobei nicht für jede Stütze ein solcher Antrieb vorgesehen sein muß. Die teleskopierbaren und/oder klappbaren Stützen 3 gleichen Durchmesseränderungen des Kanals 4 aus. Sie können teilweise auch passive Elemente zur Längen- und Winkeländerung umfassen, wie pneumatische Dämpfer oder Federn, die rückstellbar sind.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, weisen die Stützen 3 an ihren Enden relativ große Abstützflächen 6 auf, an oder in denen Antriebseinheiten montiert sind. Die Abstützflächen bzw. die Antriebseinheiten sind so ausgebildet, daß sie die notwendige Stand- bzw. Kippsicherheit im Kanal gewährleisten. Die Antriebseinheiten umfassen Räder, Rollen, Walzen oder Raupen, von denen einige freilaufend und einige angetrieben sind. Dabei sind die Rollen, Räder, Walzen oder Raupen schwenk- oder drehbar, derart, daß sie einen Vortrieb sowohl in axiale Richtung entsprechend dem Pfeil 7 gestatten, aber auch eine Bewegung entlang dem Umfang der Wand des Kanals 4 ermöglichen. Die Kombination dieser zwei Bewegungsarten resultiert in einer spiralförmigen Bewegung, die mit dem Pfeil 8 angedeutet ist. Die Antriebe der Antriebseinheiten können elektrischer, pneumatischer und/oder hydraulischer Art sein.
Die Werkzeuge sind direkt an den Stützen oder an den Enden der Stützen 3 befestigt, sie können aber auch als getrennte Einheiten an dem Grundkörper 2 und/oder an den Stützen 3 montiert sein. Insbesondere bei zweibeinigen Systemen kann ein zusätzlicher rotierender Schwenkarm eingesetzt werden, an dem das Werkzeug befestigt ist und der das Werkzeug in Kreisbahnen an der Kanalwandung vorbeiführt.
Wenn der Roboter 1 an den Serviceschächten in den Kanal eingebracht, wird seine Größe vorzugsweise durch vollständigen Einfahren der Teleskopstützen bzw. Einklappen der Stützen reduziert. Im Kanal 4 werden die Teleskopbeine bzw. Klappbeine ausgefahren, wobei das teleskopartige Ausfahren bzw. Ausklappen der Stützen über Einzelantriebe durchgeführt wird, d. h. vorzugsweise kann jede Stütze separat angesteuert werden. Idealerweise sollen die Stützen immer über die gleiche Länge verfügen, damit der Robotergrundkörper 2 zur Vermessung oder Reinigung des Kanals mittig in der Kanalachse liegt.
Zum Verfahren werden die Rollen, Räder, Walzen oder Raupen entsprechend der gewünschten Fahrweise angesteuert, wobei z. B. bei einer spiralförmigen Bewegung und entsprechenden Reinigungswerkzeugen an den Füßen der Stützen 3 Ablagerungen im Kanal vollständig beseitigt werden können. Wenn ein größeres Hindernis erkannt wird, werden die Bewegungsräder, -walzen, -rollen, -raupen in die tangentiale Richtung geschwenkt, so daß der Roboter sich auf der Stelle an dem Innenumfang entlang dreht und so positioniert wird, daß das Hindernis zwischen den Stützen 3 liegt. Anschließend werden die Antriebe bzw. die Rollen, Räder, Walzen oder Raupen axial geschwenkt und der Roboter 1 kann am Hindernis vorbeifahren. Bei Erkennen von Änderungen des Kanaldurchmessers werden die Stützen in ihrer Länge dem aktuellen Durchmesser angepaßt oder die Stützen machen von sich aus eine Durchmesseränderung mit.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem der Roboter als Schwimmroboter 10 ausgebildet ist. Er weist als Grundkörper einen Schwimmkörper 12 auf, der einen ausreichenden Auftrieb aufweist und der vorzugsweise stromlinienförmig ausgebildet ist. An diesem Schwimmkörper 12 sind wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 teleskopierbare und/oder klappbare Stützen 13 angebracht, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel vier im vorderen Bereich und vier im hinteren des Grundkörpers 12 vorgesehen sind. Selbstverständlich können auch weniger Stützen angebracht sein.
Wie aus der Fig. 3 zu erkennen ist, ist ein um den Grundkörper 12 herum drehbarer Arm 11 vorgesehen, an dem Werkzeuge zur Reinigung und Sanierung und/oder eine Sensorik angebracht sein können. Auch dieser Arm 11 ist wie die Stützen 13 in einer Länge veränderbar.
Für die Führung des Schwimmroboters 10 ist am Grundkörper 12 ein Seil 14 befestigt, das gleichzeitig zur Einstellung der Fortbewegungsgeschwindigkeit verwendet werden kann.
Die Hauptfortbewegungsart des Roboters 10 ist Schwimmen in Strömungsrichtung des Abwassers, daher ist für den Einsatz des Schwimmroboters 10 eine Teilfüllung des Kanals mit Abwasser erforderlich. Die Schwimmgeschwindigkeit ist maximal gleich der Strömungsgeschwindigkeit, sie kann über das Seil 14 eingestellt werden.
Für die Inspektion, Reinigung und/oder Sanierung muß der Roboter 10 fest im Kanal zentriert werden. Dies geschieht mittels der Stützen 13 und der darin montierten Antriebseinheiten. Dabei können die Räder, Rollen, Walzen oder Raupen mit einer Haftbeschichtung versehen sein und der Andruck an die Kanalwand wird über die Antriebe der Antriebseinheit und/oder die Teleskopantriebe der Stützen 13 realisiert. Kanalverengungen sowie Fremdkörper werden mit Hilfe der an dem Grundkörper 12 oder den Stützen 13 oder dem bzw. den rotierenden Armen befestigten Sensoren erkannt, wobei die Antriebe der Stützen daraufhin die Roboterzentrierung ausgleichen können. Selbstverständlich können in den Abstützflächen der Stützen die entsprechenden Antriebe für die gewünschte axiale und rotierende Bewegungsart entsprechend den Fig. 1 und 2 vorgesehen sein.
Vorzugsweise weist der Roboter 10 eine interne Notstromversorgung auf, die im Falle eines Verklemmens die Stützen 13 einfährt, so daß sich der Roboter auch ohne externe Energiezufuhr schwimmend im Kanal bewegen kann. Für die Bergung wird der Roboter 10 dann am Seil 14 zum nächsten Servicepunkt gezogen. Eine Bergung des Roboters kann notwendig werden, wenn er einen funktionsbeeinträchtigenden Systemausfall hat oder durch äußere Einflüsse bestimmte Einheiten des Roboters nicht mehr einsatzfähig sind.

Claims

1. Roboter zur Inspektion und/oder Reinigung und/oder Sanierung von Kanälen, insbesondere Abwasserkanälen mit einer Antriebs- und Führungseinrichtung für die Fortbewegung und/oder Positionierung, einer Sensoreinrichtung und/oder mindestens einem Werkzeug zur Reinigung und/oder Sanierung des Kanals, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper (2, 12) vorgesehen ist, an dem ausfahrbare und/oder klappbare Stützen (3, 13) zum Abstützen an der Kanalwand montiert sind, wobei die Stützen (3, 13) im Bereich der Abstützflächen Antriebseinheiten für die Fortbewegung und/oder Positionierung aufweisen.

2. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) nabenförmig als Verbindungsteil im Kreuzungspunkt der Stützen (3) ausgebildet ist.

3. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper als Schwimmkörper (12) ausgebildet ist.

4. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Stützen (3, 13) vorzugsweise mindestens drei Stützen an den Grundkörper befestigt sind.

5. Roboter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß drei Stützen jeweils um 120° versetzt zueinander am Grundkörper 2 angeordnet sind.

6. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheiten Räder, Rollen und/oder Raupen aufweisen, die derart gelagert sind, daß eine Bewegung in axialer Richtung des Kanals, eine Bewegung in Umfangsrichtung des Kanals und/oder eine kombinierte Bewegung realisierbar ist.

7. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung und/oder das Werkzeug zum Reinigen und/oder Sanieren an mindestens einer Stütze (3, 13) angebracht sind.

8. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung und/oder das Werkzeug an dem Grundkörper (2, 12) angebracht sind.

9. Roboter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein um den Grundkörper (2, 12) rotierender Arm (11) vorgesehen ist, an dem eine Sensoreinrichtung und/oder ein Werkzeug befestigt sind, und der in seiner Länger veränderbar oder klappbar ist.

10. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische, hydraulische und/oder pneumatische Antriebe in den Stützen für deren Ausfahrbarkeit und/oder Klappbarkeit angeordnet sind.

11. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützen elastisch nachgiebig sind.

12. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützen (3, 13) in ihrem Querschnitt stromlinienförmig sind.

13. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Grundkörper (2, 12) und/oder den Stützen (3, 13) ein Seilzug (14) befestigt ist.