Konstruktion eines Kampfmittelbeseitigungsroboters

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einführung
1.1 Ziel und Aufbau dieses Assignments

2 Marktanalyse
2.1 Stand der Technik
2.2 telemax tEODor EVO
2.3 telemax PRO
2.4 telemax 4x
2.5 Positionierung bzw. Funktionalität des eigenen Roboters im Wettbewerb

3 Anforderungsliste für den zu bauenden BelindaGO

4 Funktionsbaum

5 Morphologischer Kasten

6 Drei mögliche Lösungskonzepte
6.1 Möglichkeit 1 (rote Linie)
6.2 Möglichkeit 2 (grüne Linie)
6.3 Möglichkeit 3 (gelbe Linie)
6.4 Konzeptwahl

7 Stückliste

8 Beschreibung des Lösungsentwurfs und Visualisierung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Werksbesichtigung bei Telerob GmbH

Abbildung 2: Wettbewerbsmodell „tHEODor EVO“

Abbildung 3: Wettbewerbsmodell „telemax PRO“

Abbildung 4: Wettbewerbsmodell „telemax 4x4“

Abbildung 5: Funktionsbaum 1

Abbildung 6: Funktionsbaum 2

Abbildung 7: Funktionsbaum 3

Abbildung 8: Funktionsbaum 4

Abbildung 9: Fahrwerk des „telemax PRO“

Abbildung 10: Greifer des „telemax HYBRIED“

Abbildung 11: Werkzeuge. Richtmikrophon (li.) und Kreuzlinienlaser (re.)

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Übersicht der drei Wettbewerbsmodelle in Bezug auf Qualitätsmerkmale

Tabelle 2: Positionierung des BelindaGO im Wettbewerb

Tabelle 3: Anforderungsliste Blatt 1 von 2

Tabelle 4: Anforderungsliste Blatt 2 von 2

Tabelle 5: Morphologischer Kasten

Tabelle 6: Stückliste für gewählte Möglichkeit 3

1 Einführung

Nur eines von vielen zivilen Beispielen, wie sie realistisch überall und jederzeit passieren können:

„Wegen eines herrenlosen Koffers ist der S-Bahn-Bahnhof am Stuttgarter Flughafen am Montagvormittag kurzzeitig gesperrt werden. Das teilte die Bundespolizei mit. Ein Lokführer hatte zuvor am Bahnhof Flughafen/Messe einen größeren Koffer entdeckt. Mit Hilfe eines Sprengstoffspürhundes fanden die Beamten aber heraus, dass sich in dem Gepäckstück nichts Explosives befand. Die Sperrung des Bahnhofs wurde nach etwa zehn Minuten aufgehoben. “ (Quelle:[URL]: https://www.esslinger-zeitung.de/region/stuttgart_artikel,-herrenloser-koffer-am-s-bahn-bahnhof-flughafen-_arid,2229725.html)

Gesellschaft und Politik sind sensibilisiert und verlangen nach Lösungen. In diesem Fall wurde die Situation mit Hilfe eines Sprengstoffspurhundes geklärt. Genauso gut hätte ein mit einem Manipulator besetztes Fahrzeug bzw. ein Roboter eingesetzt werden können, und das, im Vergleich zu einem Spürhund, mit weiteren Möglichkeiten die Situation bestmöglich einzuschätzen und insgesamt besserer Handhabbarkeit.

1.1 Ziel und Aufbau dieses Assignments

Es soll ein Roboter konstruiert werden, welcher ein Gepäckstück aus sicherer Entfernung inspizieren und entfernen kann. Der Roboter soll nur einmal hergestellt werden. Alle nötigen Arbeitsschritte, von der Marktanalyse, über z.B. eine Wirtschaftlichkeitsprüfung bis zur Visualisierung des Entwurfs soll dokumentiert werden, es soll ein technischer Bericht erstellt werden. Darauf basierend soll es einem Sondermaschinenbauer möglich sein, Ihr Konzept umzusetzen und mit „Stückzahl eins“ zu produzieren. Die Marktpositionierung soll in Abhängigkeit zur letzten Ziffer meiner Immatrikulationsnummer geschehen, dieser folgend möge ich ein Topprodukt mit „Funktionalität 10“ entwickeln.

2 Marktanalyse

2.1 Stand der Technik

Fahrzeuge dieser Art gibt es in nahezu allen Leistungsklassen, vor allem beim Militär (z.B. Mienenräumung) oder in der Kernindustrie (Reaktorunfall) sind viele Einsatzbereiche denkbar. Aber auch an Flughäfen sind diese Roboter im Einsatz. Die Möglichkeiten gehen von simplem Transport von z.B. Gefahrstoffgütern, dem Erkennen und Analysieren von Giften bis hin zum Sprengen von Mienen oder Kofferbomben. Auch der Einsatz von Kameras und die einfache intuitive Steuerung über Smartphone bzw. Tablet machen diese Produkte fit für immer größere Einsatzbereiche. Ein weiterer Aspekt für die stetige Verbreitung dieser Roboter ist die Möglichkeit der Individualisierung, basierend auf Basismodellen. So sind meist stärkere Batterien (größere Reichweite, schneller), hochwertige Analysegeräte (für z.B. Gifte, Sprengstoffe, Gase), Schnittstellen (für z.B. Schusssysteme), Spezialgreifer (für z.B. für 220l-Fässer) oder Entfernungsmesser auf der Zubehörliste. Somit kann sich der Käufer immer weiter vom ursprünglichen Aufgabenfeld der Kampfmittelbeseitigung entfernen. Typischer Weise handelt es sich um Kleinserien und Sonderanfertigungen. Vor allem beim militärischen Einsatz spielt der Preis eine untergeordnete Rolle, jedoch sind einfachste Geräte ab ca. 30.000€ erhältlich, nach oben sind 300.000€ schnell erreicht und auch kaum Grenzen gesetzt.

Als meine Wettbewerber betrachte ich drei Roboter des deutschen Herstellers Telerob GmbH aus Ostfildern bei Stuttgart, welchen ich im Zuge meiner Recherche besuchen durfte.

Bei der Analyse stütze ich mich auf den vom Hersteller auf deren Homepage zur Verfügung gestellten Prospekt „Telerob_Katalog_2019_WEB“.

(Quelle: https://www.telerob.com/de/downloads ). Alle Modelle zeichnen sich u.a. durch eine große Auswahl an Zubehör, wie z.B. Werkzeuge, Batterien und Detektoren aus und lassen sich so individualisieren.

Abb. 1: Werksbesichtigung bei Telerob GmbH Aus rechtlichen Gründen entfernt. (Anm. der Redaktion)

2.2 telemax tEODor EVO

Auf Grund der Bekanntheit des Vorgängers weltweit eingeführt, folglich eine hohe Akzeptanz. Intuitive Bedienung, wahlweise vom Smartphone oder Tablet. Große Flächenabdeckung, hohe Bildqualität, in praktisch allen klimatischen Bedingungen einsetzbar.

Er paart den bewährten tEODor mit neuen Features und ist so zuverlässig und glänzt durch robuste Bauweise. Typisch für Telerob, und hier ist Telerob dem Wettbewerb voraus, ist die Fähigkeit des Werkzeugwechsels durch den Roboter und die Behebung kleinerer Schäden, z.B. am Kettensystems. Das System bewältigt laut Datenblatt bis zu 45° Steigung und überwindet eine Watttiefe von bis zu 300mm. Ein weiterer Pluspunkt ist die Funktion der Sicherheitsbremsen, die ein rückwärtsabrutschen verhindern. Der EVO bewältigt Temperaturfenster von -20°C bis +60°C, verfügt über die gängigen Schnittstellen und punktet, indem die Werkzeuge des Vorgängermodells tEODor kompatibel sind.

Dieses Erfolgsmodell wird bereits häufig bei der deutschen Polizei eingesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Wettbewerbsmodell „tHEODor EVO“. Quelle: https://www.telerob.com/de/downloads

2.3 telemax PRO

Der Telemax PRO nutzt einen Kettenantrieb, kombiniert mit vier Gummireifen, sowie einen Präzisions-Manipulator mit 7 Achsen. Ihn zeichnet eine gute Steig- und Kletterfähigkeit aus, schnelles Erreichen von Objekten dank einer Maximalgeschwindigkeit von 10 km/h. Auf Grund der kompakten Maße, die auf die Gangbreite eines Passagierflugzeuges abgestimmt sind, fühlt er sich entsprechend auch in Flugzeugen zu Hause, z.B. um Gepäckfächer auszuspionieren. Auch er kann 30 vorprogrammierte Bewegungsabläufe nutzen. Ein weiterer Pluspunkt ist die große Reichweite und die Möglichkeit Hindernisse von bis zu einem halben Meter Höhe zu überwinden.

Der telemax PRO wird folglich weltweit sehr häufig an Flughäfen bzw. in Flughäfen eingesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Wettbewerbsmodell „telemax PRO“. Quelle: https://www.telerob.com/de/downloads

2.4 telemax 4x4

Beim telemax 4x4 sticht besonders das robuste Fahrwerk hervor, es wurde eine Radvariante ohne Ketten gewählt. Priorität hat das Fahrwerk. Breiter Radstand, eine Höchstgeschwindigkeit von 11,5 km/h und vor allem der namensgebende Vierradantrieb sind die großen Pluspunkte. So werden auch sensible Böden geschont. Ein besonders kräftiger Manipulator mit 6 Achsen verbunden mit einem breiten Radstand und tiefem Schwerpunkt ermöglicht ein Arbeiten nach allen Richtungen und das ohne Kippneigung, auch bei Maximallast von 20 kg. Wie seine Schwesternmodelle sind viele Bewegungsabläufe programmierbar. Hervorzuheben ist außerdem, dass für die gesamte Telemax-Familie die Werkzeuge, Batterien und Zubehör untereinander austauschbar sind, folglich betrifft diese Eigenschaft auch den telemax PRO. Das Gewicht ist mit 66kg in der „kann-von-zwei-Mann-getragen-werden-Klasse“, was besonders bei militärischem Einsatz vom Kunden häufig gewünscht wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Wettbewerbsmodell „telemax 4x4“. Quelle: https://www.telerob.com/de/downloads

2.5 Positionierung bzw. Funktionalität des eigenen Roboters im Wettbewerb

Es werden die drei Wettbewerbsmodelle analysiert und auf Funktionalität geprüft. Speziell wird darauf geachtet, dass das vorgegebene Szenario „[..] soll ein Roboter hergestellt werden, mit dem ein Gepäckstück aus einer sichereren Entfernung inspiziert und entfernt werden kann [..].“. Der Roboter soll zunächst nur einmal produziert werden. Die Bewertung der drei Wettbewerbsmodelle bezieht sich ausschließlich auf die sieben wesentlichen Funktionen (Wendigkeit, Höhe, Steigfähigkeit, Kletterfähigkeit, Grabenbreite, Zuladung und Kosten) bzw. deren quantifizierbaren Parameter. Diese sieben Parameter sind gleich gewichtet. Das Eigenprodukt wird mit „BelindaGO“ des Herstellers „MTS-Products“ (Mario Torsten Sartorius-Products) fiktiv benannt.

Konkret war zu prüfen, wie folgende Anforderungen zur Erreichung von maximal 70 Funktionalitätspunkten erfüllt werden:

2.5.1 Wendigkeit

Das Fahrzeug muss klein und wendig sein, um sich allen Objekten nähern zu können.

L=700mm und B=300mm entspricht 10 Punkten; 0 Punkte ab L=1200mm und B=1000mm.

2.5.2 Höhe

Der Roboter darf nur eine geringe maximale Höhe haben, um z.B. auch unter Bänke gelangen zu können.

H=300mm entspricht 10 Punkten; H=1000m entspricht 0 Punkten.

2.5.3 Steigfähigkeit/Kletterfähigkeit/Grabenbreite

Der Roboter muss auch z.B. auf das Gepäckförderband gelangen können.

2.5.3.1 Steigfähigkeit

50°=10 Punkte; 20°=0 Punkte.

2.5.3.2 Kletterfähigkeit

H=100mm entspricht 0 Punkte; H=500mm entspricht 10 Punkten.

2.5.3.3 Grabenbreite

B=100mm entspricht 0P; 600mm entspricht 10 Punkten.

2.5.4 Zuladung

Gepäckstück bis 40 kg heben und abtransportieren (hier wird davon ausgegangen, dass Koffer ein maximales Gewicht von 32 kg haben; eine Reserve von 8 kg wird erwartet).

40 kg entspricht 10 Punkten; 10 kg entspricht einem Punkt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Übersicht der drei Wettbewerbsmodelle in Bezug auf Qualitätsmerkmale

Quelle: eigene Darstellung

Diese Tabelle und die Vorgabe einen „70-Funktionspunkte-Roboter“ zu entwickeln, mündet in im folgenden Schaubild, welche grafisch darstellt, wo die Wettbewerber und man selbst mit dem BelindaGO positioniert ist.

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