Roboter sanieren die Sydney Harbour Bridge:

Rosie und Sandy als Sysyphus

Die Entwicklungsgeschwindigkeit in der Servicerobotik nimmt rasant zu. Kaum eine Woche vergeht, in der nicht über neuartige Konzepte und Anwendungen berichtet wird. Was vor wenigen Jahren noch als wissenschaftliche Spielerei einiger robotikverliebter Forschungsinstitute galt, ist auf dem besten Weg, einen ganzen Industriezweig auf eine neue Entwicklungsstufe zu katapultieren. Dabei beschränkt sich das Spektrum realer Anwendungen keineswegs auf autonome Staubsauger oder Rasenmäher. Vielmehr bietet die Robotik 2.0 das Potenzial, Menschen deutlich umfangreicher als bisher bei körperlich belastenden oder ermüdenden Aufgaben zu entlasten. Dass dies sogar in unstrukturierten Umgebungen gelingt, verdeutlicht der "Bridge Blasting Robot" von Sabre Autonomous Solutions, der zur Instandhaltung der Sydney Harbour Bridge eingesetzt wird.

Die Überlegung ist sieben Jahre alt

Die Sydney Harbour Bridge ist ein Wahrzeichen der Australier. Der Stahlkoloss braucht ständige Pflege. (Fotos: Schunk)

Die Idee zur automatisierten Reinigung von Stahlbauwerken wurde vor rund sieben Jahren in Sydney geboren. Unter Leitung von Professor Dikai Liu und in Kooperation mit der Straßen- und Verkehrsbehörde "Roads and Maritime Services NSW" entwickelte das Centre for Autonomous Systems (Fakultät Engineering and Information Technology) der University of Technology Sydney (UTS) einen autonomen Sandstrahlroboter zur Instandhaltung von Stahlbrücken. Heute verantwortet Sabre Autonomous Solutions, ein Robotik-Startup der UTS, die Umsetzung bis zur Marktreife sowie die Vermarktung. Als Investor ist Burwell Technologies beteiligt, Australiens führender Anbieter von Sandstrahl-Equipment. Dieser vermarktet bereits die nächste Generation des Systems.

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Präziser als der Mensch

Nach einer erfolgreich absolvierten Testphase gehört der Sandstrahlroboter mittlerweile zum Standard-Equipment der Instandhaltungsteams an der weltberühmten Sydney Harbour Bridge. Mit einer Spannweite von 503 Metern, einer Höhe des Bogenscheitels von 134 Metern und 52.800 Tonnen verbautem Stahl zählt diese zu den schwersten und weitesten Stahlbogenbrücken der Welt. Wie alle Stahlbrücken muss auch die Sydney Harbour Bridge kontinuierlich gewartet und vor Korrosion geschützt werden. Dabei gilt es unter anderem, eine Stahlfläche von 485.000 Quadratmeter, also rund 68 Fußballfeldern, mittels Sandstrahl zu reinigen und neu zu streichen. Für einen einzigen neuen Anstrich sind rund 30.000 Liter Farbe erforderlich.

Rosie und Sandy, so der Name der beiden "Blasting Robots", fräsen ausdauernd Schmutz, Rost und alte Farbe von den Stahlträgern. Während die Teams aufgrund der extremen körperlichen Belastungen zum Teil alle 15 bis 30 Minuten eine Pause einlegen müssen, arbeiten sich die beiden kraftvollen Leichtgewichte ohne Unterbrechung Meter für Meter voran - deutlich ausdauernder, schneller und präziser als der Mensch es je könnte. Rund 50 Minuten benötigt der Roboter für ein Segment. Mithilfe eines Kinect Sensors und spezieller Algorithmen berechnet ein Mapping-System den exakten Bahnverlauf der Sandstrahlpistole und verhindert Kollisionen. Der Bediener wiederum überwacht den Sandstrahlprozess aus sicherer Entfernung.

Die Sicherheit erhöht

Seitdem die beiden Serviceroboter im Einsatz sind, seien die Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Qualität der Sandstrahlarbeiten deutlich gestiegen, bestätigt Greg Peters, Engineering Design Manager bei Sabre Autonomous Solutions. "Selbst erfahrene Mitarbeiter sind aufgrund der Ermüdung beim Sandstrahlen nicht in der Lage, derart konstante Ergebnisse zu erzielen", so Peters. Dabei ist die Bedienung des Systems denkbar einfach: Der Leichtbauroboter wird manuell auf einem einfachen Schienensystem positioniert. Anschließend scannt er vollautomatisch die Stahlkonstruktion und erstellt daraus eine dreidimensionale Karte. Sobald der Operator den Sandstrahlprozess per Fernsteuerung aktiviert, beginnt die Bearbeitung.

Leichtbauarm mit Nehmerqualitäten

Traglast des Spanntechnik- und Greifsystemspezialisten Schunk. Unter einer Schutzhülle sicher verpackt können den Leichtbauarmen weder Rost, Staub noch Luftfeuchtigkeit, weder die Vibrationen noch die wechselnden Belastungen des Sandstrahlens etwas anhaben. Um den Standort zu wechseln, lässt sich der Roboter entweder vor Ort auf den Schienen verfahren oder in kompakte Einheiten zerlegt von Hand transportieren. Die Kombination aus Beweglichkeit, Robustheit, Kraft und Leichtbau machen den LWA zu einem vielseitig einsetzbaren Helfer in der Servicerobotik. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern ist er gezielt darauf ausgelegt, wechselnde Tätigkeiten im unmittelbaren Umfeld des Menschen zu automatisieren. Dazu zählen Prüf- und Montageaufgaben ebenso wie der Einsatz in Assistenzsystemen, zu denen auch die Sandstrahlanwendung in Sydney zählt. Eine dauerhaft hohe Wiederholgenauigkeit von +/- 0,1 Millimeter bietet optimale Voraussetzungen für präzise Operationen. Der Leichtbauroboter lässt sich portabel, also ortsveränderlich, oder sogar mobil einsetzen. Die maximale Zuladung beträgt 15 Kilogramm.

Steuerung in den Antrieben

Modular aufgebaut können die Zahl der Freiheitsgrade, die Leistung der Antriebe sowie die Art und Länge der Distanzstücke und Gelenke frei definiert werden. Da die Antriebsverstärker und -regler unmittelbar in den Leichtbauarm eingebettet sind, benötigt das System keinen separaten Schaltschrank. Stattdessen ist die komplette Steuer- und Regelelektronik in die Gelenkantriebe integriert. Position, Geschwindigkeit und Drehmoment sind flexibel regelbar. Dank integrierter Intelligenz, universellen Kommunikationsschnittstellen und Kabeltechnik für Datenübertragung und Spannungsversorgung lässt sich der Leichtbauarm besonders schnell und einfach in bestehende Steuerungskonzepte einbinden. Zudem kann er von Embedded-PCs gesteuert werden. Über das bei allen LWA serienmäßig vorhandene CAN-Interface lassen sich die einzelnen Module zudem sehr einfach ansteuern, wobei wahlweise die Geschwindigkeit oder der Strom geregelt werden. Aufgrund der leichten, hochsteifen Konstruktion arbeitet der Leichtbauarm besonders energieeffizient, was sich bei mobilen Einsätzen in Form langer Laufzeiten auszahlt.

Einer für zwei

Während zum Sandstrahlen früher jeweils Teams mit bis zu drei Mitarbeitern sowie erhebliche Sicherheitsvorkehrungen erforderlich waren, steuert und überwacht auf der Sydney Harbour Bridge heute ein Bediener bis zu zwei Roboter. Gefährliche, körperlich belastende und zum Teil auch gesundheitsschädliche Routineaufgaben werden fast vollständig vom Roboter erledigt. Hat der Roboter ein Segment bearbeitet, übernimmt ein Mitarbeiter die Sandstrahlpistole und kümmert sich um die anspruchsvollen Feinarbeiten. Die Amortisationszeit des Robotersystems liegt bei rund zwei Jahren. Neben dem Sandstrahlroboter für Brückenbauwerke entwickelt Sabre zur Zeit einen weiteren, mobil einsetzbaren Sandstrahlroboter mit einem Gewicht von maximal 65 Kilogramm, der einfach transportiert und auch in zahlreichen anderen Anwendungen eingesetzt werden kann. Zentrales Element ist auch bei ihm ein LWA Leichtbauarm von Schunk. Christopher Parlitz/bw


 

Leichtbauroboter übernimmt Schwerstarbeit

  • Welche Erkenntnisse konnten Sie in der Testphase gewinnen?

Die wohl wichtigste Erkenntnis war: Es funktioniert! Wir haben gelernt, einen Roboter so aufzubauen, dass er einfach nur angeschaltet muss, um in Betrieb zu gehen. Bezüglich der Steuerung haben wir intensiv mit den Teams vor Ort zusammengearbeitet. Mithilfe von Kartonmodellen ist es gelungen, ein ausgesprochen nutzerfreundliches Design zu entwickeln. Um den Roboter einzusetzen ist weder Roboter-Know-how noch technisches Wissen erforderlich. Das System kann auf ein Auto gepackt, vor Ort aufgebaut und im Handumdrehen in Betrieb genommen werden.

  • Wie kommt der Roboter mit der rauen Umgebung beim Sandstrahlen zurecht?

Hier waren erhebliche Anstrengungen erforderlich. Zum einen befindet sich der Kinect Sensor während der Bearbeitung in einer speziellen Umhausung. Zum anderen wird der Roboterarm durch eine luft- und wasserdichte Hülle geschützt, die mit kalter Druckluft gefüllt ist. Eine zweite Hülle, die mit den Schutzanzügen der Mitarbeiter vergleichbar ist, dient dem Schutz vor mechanischen Einflüssen. Diese besteht aus einer Gummi-Vinyl-Mischung.

  • Wie unterscheidet sich die Arbeitsweise des Roboters von der des Menschen?

Bevor der Roboter startet, plant er selbständig jede einzelne Bahn der Sandstrahlpistole. Dabei werden der Verbrauch des Strahlmittels und der Zeitbedarf minimiert während die Produktivität maximiert wird. Der Roboter kann sich bis zu seiner vollen Länge strecken und so stark strahlen, dass er sämtliche Areale erreicht, ohne dass seine Basis bewegt wird, was für Menschen schwierig wäre. Ein großer Unterschied ist, dass der Roboter in Umgebungen arbeiten kann, die für Menschen zu dunkel, zu beengt oder zu staubig sind, um sicher und effektiv zu arbeiten. Bereits ein klein wenig Erfahrung des Bedieners bei der Feineinstellung des Systems genügt, um eine konstante Qualität mit einer guten Wiederholgenauigkeit zu erzielen.

  • Welche Effekte lassen sich realisieren?

Während Mitarbeiter bei den körperlich extrem anstrengenden Aufgaben regelmäßig Pausen benötigen, läuft der Roboter nonstop. Die Beschäftigten sind oft im Team unterwegs, mit einem Beobachter für die Sicherheit. Hingegen kann ein Bediener, der zwei Roboter für einen Großteil der Aufgaben nutzt, bis zu vier Beschäftigte ersetzen. Die Mitarbeiter wiederum können anderweitig eingesetzt werden, um die Dauer des Instandhaltungsprojekts zu verkürzen. Dadurch ist auch die Zahl der Unfälle und krankheitsbedingten Ausfälle sowie die Zahl der Wiedereingliederungsmaßnahmen deutlich zurück gegangen. Mehr noch: Menschen in der Wiedereingliederung können mithilfe des Roboters wieder unmittelbar am Berufsleben teilnehmen.

  • Weshalb eignet sich gerade der Schunk Leichtbauarm so gut für die Aufgabe?

In seiner Gewichtsklasse ist der LWA von SCHUNK einfach unschlagbar. Sein Verhältnis aus Traglast zu Eigengewicht ist absolute Spitze. Industrieroboter sind zwar günstiger, jedoch deutlich zu schwer. Sie benötigen sehr aufwändige und große Steuerungen und sind meist auf eine 380 V-Leitung angewiesen. Der SCHUNK Leichtbauarm hingegen besitzt eine einfache Steuerung, lässt sich fernsteuern, mit einem einfachen 24V DC Generator betreiben und er ist so leicht, dass zwei Leute ihn mehrmals am Tag umsetzten können. Verglichen mit anderen Leichtbauarmen wiederum ist er wesentlich robuster.

  • Wann geht das System in Serie?

In Australien kommt das System im Oktober 2014 auf den Markt. Anfang 2015 werden die USA und Europa folgen. Bis dahin soll es noch etwas mehr standardisiert werden. Unser Ziel ist es, den Roboter so kompakt und so leicht wie möglich zu machen. Zudem wollen wir künftig eine Möglichkeit zur Fernwartung integrieren.

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