Die Inspektion mit Robotern ist eine der wichtigsten Aufgaben der Robotik. Abgesehen von Überlegungen zur Kosteneffizienz gibt es oft keine andere Möglichkeit, als einen Roboter in das betreffende Gebiet zu schicken. In den Statistiken werden die verschiedenen Anwendungsbereiche von Robotern unterschieden, die zu unterschiedlichen Konstruktionen in Bezug auf Größe, Mobilität, Agilität, Verwendung von Sensorik und Betriebsmodus (von teleoperiert bis vollständig autonom) führen.
Arten von Operationen, die von den Robotern ausgeführt werden
Der Betrieb und die Produktivität von teuren Anlagen und Infrastrukturen wie Gebäuden, Brücken, Anlagen und Offshore-Installationen müssen gesichert werden. Roboter für diesen Anwendungsbereich übernehmen typischerweise die regelmäßige Erfassung beliebiger Daten oder die Ausführung einfacher physikalischer Operationen, wie die Bedienung von Schaltern, Ventilen oder Griffen.
Die folgenden Merkmale von Robotern sind in diesem Bereich zu beobachten:
- Mobile Basis: In der Regel auf Rädern oder Raupen in verschiedenen Größen für schwierige Umgebungen. Die technische Mobilität von Robotern, Mechanismen mit mehreren Beinen, Magneten, Ansaugung, Rotoren (zur Erzeugung eines Auftriebs) usw. tragen in kleinem Maßstab zu einer Vielzahl von Inspektions- und Wartungssystemen bei.
- Sensoren: Sensoren für eine bestimmte Anwendung werden auf einer mobilen Basis oder einem Roboterarm mit verschiedenen Freiheitsgraden (von einfachen Rotationsblöcken bis hin zu vollständigen Roboterarmen) installiert, um die kinematische Beweglichkeit zu erhöhen.
- Kommunikationseinheiten für die Teleoperation oder die Übertragung von Sensorsignalen.
- Betriebszentralen zur Überwachung und Dokumentation der Aufgabenerfüllung des Roboters zur Planung, direkten Bedienung oder Fernsteuerung des Roboters.
Industrieanlagen und Gebäude
Seit Anfang der 1990er Jahre interessieren sich große Industrieanlagenhersteller wie Hitachi, Mitsubishi und Toshiba für mobile Roboter zur automatischen Inspektion und Überwachung von Anlagen und Industrieausrüstungen. In der Regel handelte es sich dabei um mobile, autonome Systeme (die oft auf vorbereiteten Bahnen laufen), die mit Sensoren und Funkübertragungen zur Erfassung relevanter Daten ausgestattet sind. Zahlreiche mobile Plattformen auf Rädern oder Raupen sind mit eingebauten Sensoren ausgestattet oder werden teilweise von Manipulatoren für den Einsatz in industriellen Umgebungen geführt. Die Überschneidung mit Überwachungsrobotern ist offensichtlich.
In jüngster Zeit hat der Einsatz von mehrbeinigen mobilen Robotern mit dem Roboter Spot von Boston Dynamics zugenommen, der z. B. von Ford zum Scannen des Werks im Vorfeld einer Umgestaltung eingesetzt wird, und mit der Weiterentwicklung des Roboters Anymal von Anybotics.
Sankyo (Japan) hat einen Roboter vorgestellt, der unter Gebäuden, Büros und im Grunde genommen jedem anderen Ort, an dem er sich aufhält, auf strukturelle Schäden untersucht. Er verfügt über integrierte Sensoren, die es ihm ermöglichen, Hindernissen auszuweichen, während er im Einsatz ist. Ein ähnlicher autonomer mobiler Roboter für die Zustandsüberwachung von Reinräumen (z. B. in Halbleiterwerken) wurde von MetraLabs vorgestellt. In der Regel achten diese Roboter auf Gefahren, überwachen Umweltbedingungen wie Luftqualität, Strahlung und Rauch, kontrollieren Gebäude und inspizieren abgelegene Problemstellen, um die Zahl der Besuche durch Menschen zu verringern. Ihr Gegenstück in klinischen oder anderen öffentlichen Umgebungen ist der UV-Desinfektionsroboter.
Die ferngesteuerte und autonome Inspektion von Offshore-Ausrüstungen oder chemischen Anlagen stellt zusätzliche Anforderungen an die explosionssichere Konstruktion eines Roboters. Ein Beispiel ist der MIMROex, ein Prototyp eines Inspektionsroboters, der vom Fraunhofer IPA entwickelt wurde. Er ist mit einem Roboterarm ausgestattet, der eine Kamera für die visuelle Inspektion sowie verschiedene Anwendungssensoren wie Mikrofone, Gas- und Brandsensoren und Laserscanner trägt. Der Roboter kann in den ferngesteuerten oder autonomen Modus versetzt werden, wobei letzterer eine sichere Fahrt durch Industrieanlagen ermöglicht, d. h. der Roboter hält an oder weicht aus, wenn ihm Personen in den Weg kommen oder er auf feste oder bewegliche Hindernisse stößt. Er ist mit einem Roboterarm ausgestattet, an dem eine Kamera zur visuellen Inspektion angebracht ist, sowie mit verschiedenen Sensoren wie Mikrofonen, Gas- und Feuersensoren und Laserscannern.
Künftige Entwicklungen zielen auf physische Eingriffe in die Prozessausrüstung durch Probenentnahme, Drehen von Ventilen, Beseitigung kleinerer Verstopfungen und sogar Bedienung von Schalttafeln.
Stromerzeugung und Stromleitungsinfrastruktur
Die Überwachung von Umspannwerken, elektrischen Schaltanlagen, Hochspannungsfreileitungen und Kraftwerken erfordert regelmäßige Kontrollen und Inspektionen. In der Wasserkraftindustrie sind Inspektionen und Wartungsarbeiten vor Ort an Turbinenlaufrädern, Kanälen, Rohren usw. von großer Bedeutung, um z. B. Kavitation, Schäden und Risse zu erkennen. Eine Studie aus dem Jahr 2018 hat die robotergestützte Inspektion von Übertragungsleitungen als die vorteilhafteste Anwendung für diese Branche identifiziert.
Der Einsatz von Robotern in der Elektroindustrie konzentriert sich nach wie vor hauptsächlich auf die Entwicklung von teleoperierten Robotern für die Wartung und Inspektion von stromführenden Leitungen. Alternativ zu manuellen/visuellen Inspektionsarbeiten wurden Roboter und unbemannte Bodenfahrzeuge (UGVs) in diesen Umgebungen eingeführt, um wertvolle Zeit und Mühe im Inspektionsprozess zu sparen.
Der Scompi ist ein Miniaturroboter mit 6 Freiheitsgraden und Raupenfahrwerk für die Inspektion von Wasserturbinen, entwickelt von Hydro Québec. Eine Reihe von Miniatur-Inspektionsrobotern wurde gemeinsam von der ETH Zürich und Alstom Inspection Robotics (jetzt Inspection Robotics und Eigentum von Waygate Technologies) entwickelt. Diese Geräte können sich autonom oder halbautonom auf einem breiten Spektrum unterschiedlicher Oberflächen und Strukturen wie Rotoren, Behältern oder Rohren bewegen. Auch heute noch entwickelt und vertreibt Inspection Robotics verschiedene Inspektionsroboter für unterschiedliche Anwendungen.
Robotergeräte wurden erfolgreich für die Untersuchung von stromführenden Stromleitungen auf Defekte wie Korrosion, Degradation oder mechanische Beschädigung eingeführt. Zu den spezifischen Anwendungen gehören die Überprüfung von Kompressionsspleißen auf mechanische Beschädigung durch Widerstandsmessung, die Erkennung von Korrosion in einem Stahlkern des stahlverstärkten Aluminiumdrahtes oder die Verwendung von Infrarotbildern zur Erkennung möglicher Defekte in Stromleitungskomponenten.
Der LineRanger von Hydro-Québec's ist ein 2019 vorgestellter Inspektionsroboter, der mit Kameras und einem Thermo-Infrarot-Bildgeber ausgestattet ist. Der ferngesteuerte Roboter soll Inspektionen und Wartungsarbeiten an Hochspannungsleitungen (2.000 Ampere, 735 Kilovolt) durchführen. Er nutzt Kameras, um den Zustand der Leitungen zu überprüfen und Unregelmäßigkeiten zu entdecken, während er gleichzeitig ein ausgeklügeltes Navigationssystem einsetzt, um die Stellen zu lokalisieren, die Aufmerksamkeit benötigen.
LineROVer wurde von demselben Unternehmen speziell als Enteisungswerkzeug für Erdkabel und Freileitungen eingesetzt und kann Berichten zufolge auch große Hindernisse überwinden. Darüber hinaus haben das Unternehmen HiBot und das Electric Power Research Institute in den Vereinigten Staaten ebenfalls Stromleitungsprüfroboter entwickelt. Der Roboter Ti des Electric Power Research Institute ist mit hochauflösenden Sicht- und Infrarotkameras ausgestattet. Der Roboter inspiziert die Vorfahrtsspuren und Komponenten und ermittelt die Abstände zwischen Stromleitungen und Bäumen. Der Ti kann mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 Meilen pro Stunde fahren. Inspektionsroboter von SMP Robotics Systems Corp. Dabei handelt es sich um ein unbemanntes Bodenfahrzeug, das je nach Anwendung mit einer Reihe von Sensoren ausgestattet ist, um Wärmebildinspektionen von elektrischen Umspannwerken durchzuführen oder Gaslecks aufzuspüren. Es ist mit einer Grafikverarbeitungseinheit (GPU) ausgestattet, um Algorithmen des maschinellen Lernens auf die Datenanalyse anzuwenden..
Neben den Boden- und Leitungsrobotern gewinnen auch Flugroboter wie die Drohnenlösung Sparrow von Percepto oder Elios 2 von Flyability zunehmend an Interesse.
Für die Rotorblätter von Windkraftanlagen wurde eine neue Kategorie von Inspektionsrobotern eingeführt, die es ermöglichen, durch Ermüdung oder natürliche Einflüsse verursachte Schäden an den Rotorblättern zu erkennen, bevor es zu einer Panne oder einem katastrophalen Ausfall kommt.
Kosten-Nutzen-Überlegungen und Marketing-Herausforderungen
Roboter sind eine Möglichkeit, menschliche Arbeitskräfte von potenziellen Gefahren zu entlasten, insbesondere in Umgebungen, die durch biologische, chemische und nukleare Bedrohungen gekennzeichnet sind. Darüber hinaus können die Kosten für menschliche Operationen sehr hoch sein. Offshore-Plattformen gehören zu den teuersten Arbeitsumgebungen, da Logistik, Arbeitsrhythmus, Sicherheit und Qualifikationskosten zu den extremen Gemeinkosten gehören. Die Einführung von Robotern auf Offshore-Plattformen und in Chemiewerken zur Übernahme von Routinearbeiten wie Inspektion und Wartung, ob teleoperiert oder autonom, kann zu kurzen Amortisationszeiten führen.
Bei über 300.000 km Freileitungen in den USA ist die Inspektion von Freileitungen eine kostspielige und manchmal gefährliche Angelegenheit. Korrosion und Zuverlässigkeit von Freileitungen sind ein erhebliches industrielles Problem. Mit zunehmendem Alter der Freileitungen ist es notwendig, Daten über deren Zustand zu erhalten, um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Interne Schäden an Aluminiumdrähten und -wülsten sind auf Korrosion und interne Defekte in den Kabeln zurückzuführen. Der Einsatz von Inspektionsrobotern für Übertragungsleitungen zusammen mit einer neuen Generation kostengünstiger RF-Sensoren kann es den Netzbetreibern ermöglichen, aus der Ferne detaillierte und aktuelle Informationen über die Komponenten der Übertragungsleitungen und den Zustand der Trassen zu erhalten, was die Zuverlässigkeit erhöht und die Betriebs- und Wartungskosten senkt. In einigen Fällen kann die Anschaffung von Robotern zur Verschiebung von Wartungsarbeiten die Betriebs- und Wartungskosten in Kapitalkosten umwandeln, so dass sich die Investition und die Abschreibung amortisieren..
Insgesamt ist der Einsatz von Robotern bei Inspektion und Wartung in den letzten Jahren unter seinem Potenzial geblieben. Initiativen wie die Sprint Robotics Collaborative zielen darauf ab, den Einsatz von Robotern für die Inspektion und Wartung von kapitalintensiven Infrastrukturanlagen in den nächsten zehn Jahren in großem Umfang zu erreichen. Diese Initiative, die von mehreren großen Anlagenbesitzern aus der petrochemischen Industrie ins Leben gerufen wurde, argumentiert, dass der Einsatz von Robotern bei der technischen Inspektion und Wartung kapitalintensiver Infrastruktureinrichtungen aufgrund der Notwendigkeit, die Auswirkungen auf die Sicherheit und die Umwelt zu minimieren, unerlässlich ist. Darüber hinaus kann die technische Inspektion und Wartung mit Robotern die Stillstandszeiten verkürzen, das Eindringen von Menschen in Schiffe und andere Anlagen verhindern und die Kosten für Dienstleistungen senken, die notwendig sind, um humanitäre Hilfe zu gewährleisten.