Verhalten von passiv betriebenen Sauggreifern unter der Krafteinwirkung von Kletterrobotern

Abstract

Für den wirtschaftlichen Einsatz von Kletterrobotern auf Glasfassaden zur Durchführung von Wartungs- und Inspektionsaufgaben ist die Einsetzbarkeit auf einer möglichst großen Anzahl an Gebäuden notwendig. Der Roboter muss sich dafür möglichst ohne externe Energieversorgung und unabhängig von gebäudeseitigen Installationen wie Dachkränen und speziellen notwendigen Kletterstrukturen über Vakuumelemente direkt auf den Glaselementen halten und bewegen können. Dies stellt hohe Anforderungen an Gewicht und Energiebedarf eines Klettersystems, welche insbesondere durch die aufwändige Vakuumtechnik zur Versorgung der Halteelemente nicht zufrieden stellend erreicht werden können. Passiv betriebene Sauggreifer benötigen im Gegensatz zu aktiv betriebenen Sauggreifern keine Peripherie zur Erzeugung und Regelung des Unterdrucks und stellen damit die Basis für ein Klettersystem mit niedriger Komplexität, niedrigem Gewicht und Energiebedarf dar. Die Konzeption eines hierfür geeigneten Klettersystems sowie die Entwicklung von Berechnungsgrundlagen zur Berechnung des Verhaltens passiv betriebener Sauggreifer sind daher zwingend erforderlich. Das elastische Verhalten sowie das Versagensverhalten passiv betriebener Sauggreifer unterscheiden sich grundsätzlich von dem der aktiv betriebenen Sauggreifer. Existierende Verfahren zur Berechnung des Verhaltens von Sauggreifern konzentrieren sich jedoch ausschließlich auf aktiv betriebene Sauggreifer und können nicht auf den passiven Betrieb übertragen werden. Außerdem wird hier der beim Einsatz von Kletterrobotern typischer Weise auftretende kombinierte Zug-Schub-Lastfall nicht betrachtet. Weiterhin zeigt sich, dass die existierenden mit passiv betriebenen Sauggreifern ausgestatteten Klettersysteme für den Einsatz auf Glasfassaden nicht geeignet sind. In dieser Arbeit wird ein für den Einsatz passiv betriebener Sauggreifer geeignetes Klettersystem konzipiert sowie der Einfluss des Sauggreiferverhaltens unter dem hier auftretenden Lastfall auf die geometrische Gestaltung des Klettersystems bestimmt. Im Kern der Arbeit steht daher die Erarbeitung eines Verfahrens zur Bestimmung der von diesem Klettersystem auf die Sauggreifer wirkenden Zug- und Schubkräfte, sowie die Entwicklung von Berechnungsgrundlagen auf numerischer Basis zur Bestimmung des elastischen Verhaltens und des Versagensverhaltens unter diesen Kräften. Die theoretischen Grundlagen zur Bestimmung des Verhaltens passiv betriebener Sauggreifer wurden durch Versuche verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass das zu Grunde gelegte Berechnungsmodell die realen Bedingungen hinreichend genau nachbildet. Zum Nachweis der Anwendbarkeit der Berechnungsgrundlagen auf das Szenario der Glasfassade wurde das konzipierte Klettersystem prototypisch aufgebaut und unter Variation der zentralen geometrischen Parameter mit verschiedenen Lasten getestet und bewertet. Die Berechnungsgrundlagen stehen damit in der Praxis für die Auslegung von Sauggreifern für Kletterroboter unter variierenden Anforderungen bezüglich Lastaufnahme und geometrischer Gestaltung des Klettersystems zur Verfügung.

For safety reasons, to preserve a proper appearance and to ensure a long life cycle, facades have to be maintained regularly. Until now, this has been done by human workers. However, due to overhangs and structurally weak facades, work on outer facades can be a difficult and dangerous job. Thus there is a high potential for the deployment of autonomous or remote controlled facade climbing robots. But for a facility management provider such a robot only becomes interesting if it is usable across a large number of buildings. In this context free climbing robots are the most appropriate system for an all-purpose deployment. The majority of existing free climbing robots use suction cups for attachment, which are actively provided with vacuum by an extra vacuum generator. In this context passively operated suction cups have the advantage that the attaching force is generated simply by mechanically pressing the suction cup onto the surface. In the scope of this work it is shown that the weight and the complexity of the robot system can be reduced and thus the flexibility of deployment and the reliability of free climbing robots could be increased by using passively operated suction cups. The chosen system for a free climbing robot with passively operated suction cups utilises the caterpillar principle for propulsion. In order to produce suitable pressure at the front suction cups a specific attach system for suction cup suspension has been developed in this work. To calculate the characteristic forces for this climbing system that affect the suction cups the necessary mathematical process has been developed and design rules for the minimization of these forces has been derived. The sheer load has been identified as being the critical load to the suction cups. Thus the focus of this work was the development of a mathematical model for the determination of the elastic and failure behaviour of passively operated suction cups. These forces cause slippage and thus the elastic and failure behavior of the suction cups. The mathematical model for simulating the determination of the coherence between sheer forces and slippage drift as a function of the normal force has been worked out on the basis of the finite element method, and has been verified by tests. Therefore a two dimensional friction model has been developed and a new parameter to consider material expansion in the normal direction has been introduced. In an exemplary test series it has been verified that the model reproduces real conditions to an adequate accuracy. For practical use this basic system can be used for the dimensioning of passively operated suctions cups and thus for the dimensioning of climbing robots for glass facades. On the basis of this knowledge a prototype for a free climbing and autonomous robot for glass facades has been built and tested. The tests have been carried out on the functionality of the new climbing mechanism on the basis of a caterpillar with passively operated suction cups, and of the behaviour of the suction cups with different loads and different patterns of suction cup arrangements. The functionality of the climbing mechanism has been proven. Important knowledge for the optimisation of the climbing mechanism has been obtained from the interpretation of the behaviour of the suction cups during the testing in comparison with the results of the mathematical model.