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Title:
WORM ROBOT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/197418
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a worm robot (1), comprising a plurality of segments (2) which are arranged successively along a worm axis, wherein the segments (2) are designed to be expandable in the radial direction and are interconnected with the aid of connecting means (10, 11). According to the invention, the segments (2) are held in a variable distance to each other and can be swiveled in all directions relative to one another, wherein first drives (13) are provided for changing the distance between the segments (2) and for swiveling the segments (2) in all directions relative to one another.

Inventors:
MÜLLER, Matthias Manuel (Waldstraße 8, Veiglbergsiedlung, 2102 Hagenbrunn, 2102, AT)
Application Number:
AT2017/000035
Publication Date:
November 23, 2017
Filing Date:
May 09, 2017
Export Citation:
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Assignee:
MÜLLER, Matthias Manuel (Waldstraße 8, Veiglbergsiedlung, 2102 Hagenbrunn, 2102, AT)
International Classes:
B25J9/06; B08B9/049; B25J9/00; B61B13/10; F16L55/28; F16L55/34; G01M3/00; G21C17/017; F16L101/30
Foreign References:
CN204005027U2014-12-10
DE102008014420A12009-10-15
CN105114759A2015-12-02
JP2000246675A2000-09-12
US20020140392A12002-10-03
JPH0493188A1992-03-25
JPS6154447A1986-03-18
CN103759095A2014-04-30
Attorney, Agent or Firm:
KESCHMANN, Marc (Haffner und Keschmann Patentanwälte GmbH, Schottengasse 3a, 1010 Wien, 1010, AT)
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Claims:
Patentansprüche :

1. Wurmroboter umfassend eine Mehrzahl von entlang einer Wurmachse hintereinander angeordneten Segmenten, wobei die

Segmente in radialer Richtung aufweitbar ausgebildet sind und untereinander mit Hilfe von Verbindungsmitteln

verbunden sind, wobei die Segmente in veränderlichem

Abstand zueinander gehalten sind und wobei erste Antriebe zur Veränderung des Abstands zwischen den Segmenten

vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente relativ zueinander allseitig verschwenkbar sind und

Antriebe zur allseitigen Verschwenkung der Segmente relativ zueinander vorgesehen sind.

2. Wurmroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel zwischen zwei aufeinander folgenden Segmenten jeweils von einem Hexapod, insbesondere einem auf drei Anschlüsse minimierten Hexapod, gebildet sind.

3. Wurmroboter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sechs Streben des Hexapods zu ihrer

Längenveränderung jeweils einen Linearantrieb aufweisen.

4. Wurmroboter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, dass zweite Antriebe zur radialen

Aufweitung und zum radialen Zusammenziehen der Segmente vorgesehen sind.

5. Wurmroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente jeweils einen starren Grundkörper und über den Umfang des Grundkörpers verteilt wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens vier, in radialer Richtung aus- und einfahrbare Füße aufweisen.

6. Wurmroboter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füße jeweils zwei Fußelemente aufweisen, wobei ein radial äußeres Fußelement gegen die Kraft eines

Federelements relativ zu einem radial inneren Fußelement in radialer Richtung einwärts verschiebbar gelagert ist. 7. Wurmroboter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch

gekennzeichnet, dass die Füße jeweils ein insbesondere ringsegmentartiges Kontaktelement aufweisen, das

vorzugsweise schwenkbar am Fußelement angeordnet ist, wobei das Kontaktelement vorzugweise federnd in einer mittleren Schwenkposition gehalten ist.

8. Wurmroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente lösbar miteinander verbunden sind.

9. Wurmroboter nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die sechs Streben eines genannten Hexapods an wenigstens einer Seite an einer gemeinsamen Verbindungsplatte angelenkt sind, die mit einem

zugeordneten Segment lösbar verbindbar ist.

10. Wurmroboter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsplatten und die Segmente miteinander formschlüssig zusammenwirkende Verriegelungsglieder, vorzugsweise zur Ausbildung einer Bajonettverbindung, aufweisen .

11. Wurmroboter nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente und ggf. die

Verbindungsplatten eine zentrale Durchführung für

Versorgungsleitungen, Kabel oder dgl . aufweisen.

12. Wurmroboter nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment wenigstens einen eigenen ersten Antrieb und wenigstens einen eigenen zweiten Antrieb aufweist und dass bevorzugt jedes Segment einen

elektrischen Energiespeicher zur jeweiligen Versorgung des eigenen ersten und des eigenen zweiten Antriebs umfasst.

13. Wurmroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente von einer zumindest bereichsweise flexiblen, staubdichten und ggf.

wasserdichten Hülle umgeben sind, wobei die Hülle eine Mehrzahl von Hüllensegmenten umfasst, die miteinander lösbar verbindbar sind.

14. Wurmroboter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllensegmente an beiden Enden Verbindungsringe mit Verbindungselementen zur Verbindung mit einem

Verbindungsring eines benachbarten Hüllensegments

aufweisen, wobei die miteinander verbundenen

Verbindungsringe benachbarter Hüllensegmente im Bereich der Verbindungsmittel, die zwei benachbarte Segmente des

Wurmroboters verbinden, angeordnet sind und ein die

Verbindungsringe eines Hüllensegments miteinander

verbindender flexibler Hüllenabschnitt ein Segment des Wurmroboters umgibt .

15. Wurmroboter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass am vorderen Ende des Wurmroboters eine Fräsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Fräsvorrichtung vorzugsweise als Kugelschaftfräser ausgebildet ist und vorzugsweise an einem schwenkbaren Fräsarm angeordnet ist.

16. Verwendung eines Wurmroboters nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Tunnelbohrmaschine, zur Durchführung von

Kanalsanierungsarbeiten, Erkundungen z.B. in

Katastrophengebieten, Aufklärungstätigkeiten, Rohr- und Schachtwartungen oder zur Durchführung von archäologischen Ausgrabunge .

Description:
WURMROBOTER

Die Erfindung betrifft einen Wurmroboter umfassend eine Mehrzahl von entlang einer Wurmachse hintereinander

angeordneten Segmenten, wobei die Segmente in radialer Richtung aufweitbar ausgebildet sind und untereinander mit Hilfe von Verbindungsmitteln verbunden sind und wobei die Segmente in veränderlichem Abstand zueinander gehalten sind und erste Antriebe zur Veränderung des Abstands zwischen den Segmenten vorgesehen sind.

Ein solcher Wurmroboter ist beispielswiese in der

DE 4302731 Cl und der DE 3111814 C2 beschrieben und dient der Fortbewegung in einem Rohr. Der Wurmroboter umfasst Segmente mit Spanneinheiten, die gegen die Rohrinnenwand verspannt werden können. Die Segmente arbeiten nach Art eines Schreitwerks zusammen, wobei durch abwechselndes Verspannen und Verschieben der Spanneinheiten eine

Vorwärtsbewegung erzeugt werden kann. Die in der

Patentschrift DE 3111814 C2 beschriebene Ausbildung besteht aus einem zweigliedrigen Schreitwerk mit einem hinteren und einem vorderen Schreitkörper . Die beiden Schreitkörper sind gelenkig miteinander verbunden und können relativ

zueinander in axialer Richtung verschoben werden. Die beiden Schreitkörper können abwechselnd im Rohr fixiert werden, so dass eine kriechende Vorwärtsbewegung im Rohr möglich ist. Zur Fixierung im Rohr enthalten die

Schreitkörper jeweils zwei Stützflansche, auf denen jeweils mehrere Hydraulikzylinder angeordnet sind, deren

Kolbenstangen radial ausgefahren werden können und auf diese Weise ein Verklemmen des Schreitkörpers im Rohr verursachen. Dadurch können auch vertikale Rohrabschnitte überwunden werden. Aus der EP 324644 AI ist ein Wurmroboter bekannt, der zwei Segmente mit ein- und ausfahrbaren Füßen umfasst und nach Art eines Schreitwerkes fortbewegt werden kann. Die

Segmente sind zueinander längenveränderbar und mittels eines Hydraulikzylinders verbunden. Dabei wird das erste Segment mittels der gegen die Rohrwand ausgefahrenen Füße im Rohr fixiert, während sich das zweite Segment bei eingefahrenen Füßen frei bewegen kann und durch Betätigung des Hydraulikzylinders auf das erste Segment zubewegt wird. Danach werden die Füße des zweiten Segments ausgefahren, um das zweite Segment im Rohr zu fixieren und die Füße des ersten Segments werden eingefahren. Nun ist das erste

Segment frei beweglich und wird vom zweiten Segment

wegbewegt. Diese Abfolge wird mehrfach wiederholt, um eine Fortbewegung des Roboters im Rohr zu erzielen.

Nachteilig bei dem Wurmroboter gemäß der EP 324644 AI ist, dass die Verbindung zwischen den Segmenten starr ist, weshalb der Wurmroboter in gekrümmten Bereichen des Rohrs sehr unflexibel ist. Weiters ist der Wurmroboter sehr instabil, weil er aus lediglich zwei Segmenten besteht.

Nachteilig bei allen genannten Wurmrobotern ist, dass diese nur für die Fortbewegung im Inneren von Rohren vorgesehen sind. Eine Fortbewegung in beliebiger Umgebung ist nicht ohne weiteres möglich, wobei insbesondere eine

Richtungssteuerung außerhalb von Rohren, d.h. ohne externe Richtungsführung nicht möglich ist. Aber auch innerhalb von Rohren ist eine Richtungsänderung, z.B. im Falle von

Rohrabzweigungen nicht möglich. Die Erfindung zielt daher darauf ab, einen Wurmroboter der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die oben genannten Nachteile überwunden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Wurmroboter der eingangs genannten Art im Wesentlichen vor, dass die Segmente relativ zueinander allseitig

verschwenkbar sind und Antriebe zur allseitigen

Verschwenkung der Segmente relativ zueinander vorgesehen sind. Durch die aktive Verschwenkbarkeit mit Hilfe von Antrieben kann der Wurmroboter flexibler eingesetzt werden, wobei insbesondere eine Fortbewegung entlang von Kurven auch ohne Führung durch ein Rohr oder dgl . möglich wird. Dadurch, dass die Verschwenkbarkeit allseitig gegeben ist, kann der Wurmroboter beliebige Krümmungs zustände einnehmen und halten, sodass der Wurmroboter vielseitig einsetzbar ist. Durch die Verschwenkung der Segmente relativ

zueinander erhält die Wurmachse wenigstens eine Krümmung. Im Falle einer wenigstens zweifach gekrümmten Wurmachse können die wenigstens zwei gekrümmten Bereiche der

Wurmachse Krümmungen aufweisen, die in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Ebenen liegen. Dadurch kann die Wurmachse eine dreidimensionale Gestalt annehmen.

Die Antriebe für die allseitige Relativverschwenkung der Segmente können als von den für die Veränderung des

Abstands zwischen den Segmenten verantwortlichen ersten Antrieben gesondert ausgebildet sein oder es können die ersten Antriebe sowohl für die Veränderung des Abstand zwischen den Segmenten als auch für die Verschwenkung eingesetzt werden. Eine konstruktiv besonders vorteilhafte Realisierung der allseitigen Verschwenkbarkeit der Segmente wird dadurch erreicht, dass die Verbindungsmittel zwischen zwei

aufeinander folgenden Segmenten jeweils von einem Hexapod, insbesondere einem auf drei Anschlüsse minimierten Hexapod, gebildet sind. Ein Hexapod besteht hierbei aus sechs längenveränderlichen Streben, die zwei benachbarte Segmente miteinander verbinden. Hierbei sind je zwei Streben an einer gemeinsamen Anschlussstelle schwenkbar befestigt, wobei die drei Anschlussstellen bezüglich einer zentralen Achse in einem Winkel von 120° voneinander beabstandet sind. Jede Strebe ist hierbei an ihrem einen Ende gemeinsam mit der einen ihrer beiden benachbarten Streben an einer gemeinsamen Anschlussstelle befestigt und an ihrem anderen Ende mit gemeinsam mit der anderen ihrer beiden

benachbarten Streben an einer gemeinsamen Anschlussstelle befestigt. In ümfangsrichtung gesehen ergibt sich somit ein zock-zack-Verlauf der sechs Streben. Wenn alle sechs

Streben gleichsinnig und in gleichem Maße längenverändert werden, ergibt sich eine Parallelverschiebung der Segmente, die in einer Veränderung des Abstands zwischen den

benachbarten Segmenten resultiert. Durch eine

Längenveränderung der Streben in voneinander verschiedenem Maß kann hingegen eine beliebige Raumwinkelstellung der beiden Segmente zueinander eingestellt werden, wodurch eine allseitige Verschwenkbarkeit realisiert wird. Insbesondere erlaubt ein Hexapod einen großen Schwenkwinkel, sodass der Wurmroboter auch enge Kurven durchschreiten kann. Weiters erlaubt ein Hexapod eine Relativverdrehung der miteinander verbundenen Segmente um die Wurmachse, d.h. ein sog.

„Rollen". Alternativ kann an Stelle des Hexapod ein Tripod vorgesehen sein. Unter einem Tripod wird ein Hexapod verstanden, der ebenfalls sechs Streben aufweist, welche jedoch nicht selbst angetrieben sind. Hierbei werden nur die drei

Anschlussstellen der Streben auf einer Seite des Hexa- bzw. Tripods angetrieben, wodurch ebenso eine Verschwenkung in jede Richtung möglich ist, jedoch kein Rollen um die

Wurmachse .

Der Wurmroboter weist bevorzugt einen kreisförmigen

Querschnitt auf, sodass er tatsächlich beliebige Raumlagen einnehmen kann. Insbesondere weisen die Segmente des

Wurmroboters einen kreisförmigen Querschnitt auf.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die sechs Streben des Hexapods zu ihrer Längenveränderung jeweils einen Linearantrieb auf. Der Linearantrieb kann beispielsweise mit Hilfe eines hydraulischen oder

pneumatischen Zylinderkolbenaggregats realisiert werden. Dies erfordert jedoch einen hohen Aufwand für die

Versorgung aller Streben der einzelnen Hexapods mit

Hydraulikmedium und einen hohen Steuerungsaufwand. Die Linearantriebe sind daher vorzugsweise als elektrische Antriebe ausgebildet. Besonders bevorzugt umfasst ein

Linearantrieb einen elektrischen Motor, insbesondere einen Schrittmotor, der einen Spindelantrieb oder einen

Zahnstangenantrieb antreibt.

Die eigenangetriebenen Streben jedes Hexapods können auf beiden Seiten mit Kugelgelenken gelagert werden. Hierbei rotiert der Antrieb aber unkontrolliert innerhalb eines durch die Dimension der Gelenke und die momentane Länge der Strebe bestimmten Winkels. Bei der Lagerung der Streben durch ein Kugelgelenk an einem und ein Kardangelenk am anderen Ende einer Strebe kann der Linearantrieb, welcher Teil der Strebe ist, nicht unkontrolliert schwanken. Dies bietet Vorteile bei großen Maschinen, beispielsweise bei der Minimierung von Eigenschwingungen, und es vereinfacht das Verlegen von pneumatischen, hydraulischen oder

elektrischen Leitungen zu den Linearantrieben. Alternativ kann die Lagerung der Streben an beiden Enden mittels eines Kardangelenks erfolgen.

Der erfindungsgemäße Wurmroboter umfasst eine Mehrzahl von Segmenten, wobei unter einer Mehrzahl von Segmenten

wenigstens drei, insbesondere wenigstens vier Segmente verstanden werden.

Die Segmente sind hierbei mit einer elektronischen

zentralen Steuereinheit verbunden, um die Antriebe der einzelnen Segmente, d.h. die radiale Aufweitung und

Kontraktion der Segmente sowie die Abstandsveränderung und die Verschwenkung der Segmente anzusteuern. Insbesondere ist ein Bussystem vorgesehen, welches die zentrale

Steuereinheit mit den hintereinander angeordneten Segmenten verbindet. Die zentrale Steuereinheit wirkt, ggf. über eine lokale Steuereinheit jedes Segments, mit den Antrieben so zusammen, dass die Segmente als Schreitkörper eines

mehrgliedrigen Schreitwerks betrieben werden können. Die zentrale Steuereinheit ist beispielswiese ausgebildet, um die Segmente wie folgt anzusteuern. Die Ansteuerung erfolgt hierbei in Gruppen, wobei das erste, das dritte, etc., d.h. jedes zweite Segment eine erste Gruppe von Segmenten bildet und die anderen Segmente, d.h. das zweite, das vierte etc. Segment eine zweite Gruppe von Segmenten bildet. Zuerst werden die Segmente der ersten Gruppe radial aufgeweitet, um in Kontakt mit dem Untergrund zu kommen, während die Segmente der zweiten Gruppe radial kontrahiert bleiben und daher wegen des fehlenden Kontakts mit dem Untergrund frei bewegt werden können. Durch Betätigung der ersten Antriebe zur Veränderung des Abstands zwischen den Segmenten werden die Segmente der zweiten Gruppe auf die Segmente der ersten Gruppe zubewegt. Danach werden die Segmente der zweiten Gruppe radial aufgeweitet und die Segmente der ersten

Gruppe werden radial kontrahiert. Nun sind die Segmente der ersten Gruppe frei beweglich und werden von den Segmenten der zweiten Gruppe wegbewegt. Diese Abfolge wird mehrfach wiederholt, um eine Fortbewegung des Wurmroboters zu erzielen .

Für die radiale Aufweitung und für das radiale

Zusammenziehen der Segmente sind bevorzugt zweite Antriebe vorgesehen. Die zweiten Antriebe sind von den ersten

Antrieben gesondert ausgebildet und umfassen vorzugsweise elektrische Motoren. Das radiale Aufweiten und

Zusammenziehen kann auf verschiedene Weise erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausbildung weisen die Segmente jeweils einen starren Grundkörper und über den Umfang des

Grundkörpers verteilt wenigstens zwei, vorzugsweise

wenigstens vier, in radialer Richtung aus- und einfahrbare Füße auf. Die ausfahrbaren Füße sind vorzugsweise

gleichmäßig über den Umfang des Grundkörpers verteilt, sodass diese im Falle von sechs Füßen beispielswiese in Winkelabständen von 60° angeordnet sind. Der Grundkörper ist im Querschnitt bevorzugt kreisförmig ausgebildet.

Wenn eine Mehrzahl von radial ausfahrbaren Füßen vorgesehen ist, kann die Ansteuerung so erfolgen, dass alle Füße eines Segments in gleichem Ausmaß und gleichzeitig ausgefahren werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass nur die dem Untergrund zugewandten Füße ausgefahren werden.

Um die von den Füßen beim Ausfahren auf den Untergrund, auf Hindernisse oder auf andere Umgebungsobjekte ausgeübten Kräfte zu begrenzen, sieht eine bevorzugte Ausbildung vor, dass die Füße jeweils zwei Fußelemente aufweisen, wobei ein radial äußeres Fußelement gegen die Kraft eines

Federelements relativ zu einem radial inneren Fußelement in radialer Richtung einwärts verschiebbar gelagert ist. Eine solche Ausbildung der Füße ist vor allem für die Ausführung als Erkundungsroboter vorgesehen und erleichtert den radialen Ausdehnungsprozess dadurch, dass sich ab größerer Krafteinwirkung die Füße nicht weiter nach außen bewegen, sondern der weitere Hub des Antriebs durch das Federelement aufgenommen wird. Das Federelement kann vorzugsweise als Druckfeder ausgebildet sein. Die Fußelemente können hierbei teleskopisch ineinander geführt sein.

Die ausfahrbaren Füße können als einfache radiale Stifte ausgeführt sein. Um die Kontaktfläche am Kontakt mit der Umgebung zu vergrößern, kann aber auch vorgesehen sein, dass die Füße an ihrem dem Segment abgewandten Ende ein Kontaktelement aufweisen. Eine bevorzugte Weiterbildung sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die Füße jeweils ein insbesondere ringsegmentartiges Kontaktelement aufweisen, das vorzugsweise schwenkbar am Fußelement angeordnet ist, wobei das Kontaktelement vorzugweise federnd in einer mittleren Schwenkposition gehalten ist. Die federnde

Lagerung der Kontaktelemente gelingt beispielsweise mit Hilfe von zwei Druckfedern, die bezüglich des Fußes

symmetrisch angeordnet sind und den Fuß mit jeweils einem der beiden Arme des Kontaktelements verbinden. Die flexible bzw. schwenkbare und federnde Lagerung des Kontaktelements führt dazu, dass der Roboter auf geradem Untergrund nicht unerwünscht seitlich rollt, indem sich die Kontaktelement von mindestens zwei in Umfangsrichtung des Segments

benachbarten Füßen parallel zum Untergrund neigen und somit gemeinsam eine größere Auflagefläche bilden.

Die radiale Ausweitung der Segmente kann alternativ aber auch ohne das Vorsehen von radial ausfahrbaren Füßen realisiert werden. Beispielswiese können an den Segmenten aufblasbare Elemente, wie z.B. Luftpolster, vorgesehen sein, die sich beim Aufblasen in radialer Richtung

aufweite .

Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass die Segmente lösbar miteinander verbunden sind. Die Lösbarkeit der Verbindung zwischen zwei Segmenten ermöglicht ein modulares System, bei dem die Länge des Wurmroboters einfach verändert werden kann, ohne dass dadurch

Einschränkungen in Kauf genommen werden müssen, wie zum Beispiel einer Verkürzung der Einsatzdauer oder eine

Verringerung der Antriebskraft. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn jedes Segment selbst angetrieben ist, wobei die Modulbauweise auch bei den Antrieben dadurch realisiert werden kann, dass jedes Segment wenigstens einen eigenen ersten Antrieb und wenigstens einen eigenen zweiten Antrieb aufweist und dass bevorzugt jedes Segment einen

elektrischen Energiespeicher zur jeweiligen Versorgung des eigenen ersten und des eigenen zweiten Antriebs umfasst. Weiters kann vorgesehen sein, dass jedes Segment über eine eigene Steuereinheit verfügt, die beispielsweise über ein Bussystem mit einer zentralen Steuereinheit des

Wurmroboters verbunden ist. Um eine einfache Verbindung von Segmenten und eine einfache Lösbarkeit der Verbindung bei einer Ausbildung der

Verbindungsmittel als Hexapod zu gewährleisten, ist

bevorzugt vorgesehen, dass die sechs Streben eines

genannten Hexapods an wenigstens einer Seite an einer gemeinsamen Verbindungsplatte angelenkt sind, die mit einem zugeordneten Segment lösbar verbindbar ist. Bevorzugt sind die sechs Streben an beiden Seiten an jeweils eine

Verbindungsplatte angelenkt. Ein Hexapod wird hierbei durch zwei Verbindungsplatten gebildet, die mit Hilfe der sechs Streben miteinander verbunden sind. Die sechs Streben und die Verbindungsplatte (n) bilden daher eine Einheit aus, die in einfacher Weise mit dem bzw. den benachbarten

Segmente (n) lösbar verbunden werden kann.

Die lösbare Verbindung kann in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, dass die Verbindungsplatten und die

Segmente miteinander formschlüssig zusammenwirkende

Verriegelungsglieder, vorzugsweise zur Ausbildung einer Bajonettverbindung, aufweisen.

Bevorzugt weisen die Segmente und ggf. die

Verbindungsplatten eine zentrale Durchführung für

Versorgungsleitungen, Kabel oder dgl . auf. Die

Versorgungsleitungen bzw. Kabel können hierbei der

Stromversorgung der einzelnen Segmente sowie der Antriebe und/oder der Datenübertragung dienen.

Der erfindungsgemäße Wurmroboter kann für verschiedene Einsatzgebiete verwendet werden. Als Beispiele kann die Verwendung als Tunnelbohrmaschine, Kanalsanierungsroboter, Rohr- oder Schachtwartungsroboter oder auch der Einsatz als Erkundungsroboter in Katastrophengebieten, als

Aufklärungsroboter und bei archäologischen Ausgrabungen genannt werden.

Beim Einsatz als Erkundungsroboter ist es vorteilhaft, den Wurmroboter zumindest bereichsweise vor Feuchtigkeit und Staub zu schützen. Eine bevorzugte Ausbildung sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die Segmente von einer zumindest bereichsweise flexiblen, staubdichten und ggf. wasserdichten Hülle umgeben sind, wobei die Hülle eine Mehrzahl von Hüllensegmenten umfasst, die miteinander lösbar verbindbar sind. Die Hüllensegmente bilden gemeinsam eine den Wurmroboter zumindest bereichsweise umgebende Hülle, wobei die Hülle in den die radial aufweitbaren

Segmente ggf. umgebenden Bereichen so ausgebildet ist, dass sich die Hülle bei Kontraktion und Expansion der Segmente mit ausdehnt und zusammenzieht. Auf Grund der Hülle kann der Wurmroboter auch in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) eingesetzt werden.

Um die Modularität des Wurmroboters nicht zu

beeinträchtigen, ist die Hülle aus einer Mehrzahl von

Hüllensegmenten zusammengesetzt, die bevorzugt jeweils lediglich ein Segment umschließen und von Anschluss zu Anschluss jeweils eine in sich geschlossene Kammer

ausbilden. Sollte es zur Beschädigung der Hülle eines

Segments kommen, so betrifft der Schaden den Rest der

Apparatur nicht .

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Hülle weisen die Hüllensegmente an beiden Enden Verbindungsringe mit

Verbindungselementen zur Verbindung mit einem

Verbindungsring eines benachbarten Hüllensegments auf, wobei die miteinander verbundenen Verbindungsringe

benachbarter Hüllensegmente im Bereich der

Verbindungsmittel, die zwei benachbarte Segmente des

Wurmroboters verbinden, angeordnet sind und ein die

Verbindungsringe eines Hüllensegments miteinander

verbindender flexibler Hüllenabschnitt ein Segment des Wurmroboters umgibt.

Verbunden werden die Hüllensegmente vorzugsweise über einen, im geschlossenen Zustand abdichtenden,

selbstverriegelnden Baj onettverschluss . Dieser

Ba onettverschluss verfügt über einen oder mehrere

Sicherungsbolzen und eine oder mehrere Druckfedern, welche bei Zurückziehen des Bolzens eine Drehung verursachen und somit die beiden Hüllensegmente voneinander trennen.

Am Anfang und am Ende des Wurmroboters können kuppelartige Endstücke angeordnet sein. Bedarfsweise könne diese

Endstücke durch Endstücke ersetzt werden, die mit

Werkzeugen, Sensoren oder dgl. ausgestattet sind.

Beim Einsatz als Rohrsanierungsroboter ist es sinnvoll die Segmente mit Ablenkrollen zu versehen, die bevorzugt an dem Grundkörper der Segmente drehbar gelagert sind. Dadurch können diejenigen Segmente, die sich im zusammengezogenen Zustand befinden, durch die Form der Rohrleitung durch Abrollen und daher gleichsam von selbst in die richtige Richtung geführt werden.

Um beispielsweise in die Rohrleitung eingewachsene Wurzeln und Verstopfungen entfernen zu können, kann am vorderen Ende des Wurmroboters eine Fräsvorrichtung angebracht werden. Da der gleiche Wurmroboter in mehreren Rohrgrößen Einsatz finden soll, ist es vorteilhaft den Fräskopf, vorzugsweise ein Kugelschaftfräser, innerhalb eines

definierten Durchmessers an jede beliebige Stelle bringen zu können. Eine bevorzugte Ausbildung sieht daher vor, dass die Fräsvorrichtung an einem schwenkbaren Fräsarm

angeordnet ist.

Beim Einsatz als Tunnelbohrmaschine ist es wünschenswert, das von einem am Anfang des Wurmroboters angeordneten

Bohrkopf gelockerte Material innerhalb des Wurmroboters entweder ans Ende des Roboters zu transportieren oder den Roboter damit zu befüllen, um es anschließend auszuleeren, wenn sich der Wurmroboter wieder außerhalb des Tunnels befindet. In beiden Fällen benötigt man ein

Transportsystem, um das Material innerhalb des Wurmroboters zu bewegen. Zu diesem Zweck sieht eine bevorzugte

Ausbildung vor, dass im Inneren des Wurmroboters ein mehrteiliges und flexibles, aber geschlossenes Fördersystem angeordnet ist. Es besteht bevorzugt aus mehreren

Fördersegmenten, welche Material in eine Richtung befördern können und eine Materialübergabe von einem Fördersegment in das nachfolgende Fördersegment ermöglichen. Für die

Materialübergabe ist bevorzugt vorgesehen, das die

Wurmsegmente verschwenkbar ineinandergreifen, sodass der Wurmroboter auch in Kurven eine Materialförderung

gewährleisten kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen

Fig. 1 eine erste Ausbildung des erfindungsgemäßen Wurmroboters ,

Fig. 2 eine zweite Ausbildung des Wurmroboters, Fig. 3 eine Detailansicht des Wurmroboters gemäß Fig. 2,

Fig. 4a eine erste Ausbildung von Verbindungsmitteln zwischen zwei Wurmsegmenten in ausgefahrenem Zustand,

Fig. 4b die erste Ausbildung der Verbindungsmittel zwischen zwei Wurmsegmenten in eingefahrenem Zustand,

Fig. 5 eine Detailansicht einer Verbindungsstrebe gemäß Fig. 4,

Fig. 6a eine zweite Ausbildung von Verbindungsmitteln zwischen zwei Wurmsegmenten in ausgefahrenem Zustand,

Fig. 6b die zweite Ausbildung der Verbindungsmittel zwischen zwei Wurmsegmenten in eingefahrenem Zustand,

Fig. 7 eine Detailansicht einer Verbindungsstrebe gemäß Fig. 6,

Fig. 8 eine Detailansicht einer weiteren Ausführung einer Verbindungsstrebe,

Fig. 9a einen Querschnitt durch ein Segment mit eingefahrenen Füßen,

Fig. 9b einen Querschnitt durch ein Segment mit ausgefahrenen Füßen,

Fig. 10a einen Teilschnitt eines ausfahrbaren Fußes eines Segments,

Fig. 10b, den ausfahrbaren Fuß gemäß Fig. 10a in perspektivischer Ansicht,

Fig. IIa einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführung eines Segment mit eingefahrenen Füßen,

Fig. IIb einen Querschnitt durch das Segment gemäß Fig. IIa mit ausgefahrenen Füßen,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines Segments,

Fig. 13 Verbindungsplatten zur Verbindung eines

Hexapods mit einem Segment gemäß Fig. 12,

Fig. 14 eine Detailansicht von Verbindungsringen von Hüllensegmenten zur Ausbildung einer Hülle, Fig. 15 eine Detailansicht gemäß Fig. 14,

Fig. 16 eine schematische Ansicht der Hüllensegmente in miteinander verbundenem Zustand,

Fig. 17 eine Fräsvorrichtung zur Befestigung an dem erfindungsgemäßen Wurmroboter,

Fig. 18 eine Seitenansicht eines Fördersegments eines Fördersystems zur Anordnung im Inneren des

erfindungsgemäßen Wurmroboters,

Fig. 19 eine axiale Ansicht des Fördersegments gemäß Fig. 18,

Fig. 20 eine perspektivische Ansicht des aus

Fördersegmenten gemäß Fig. 18 zusammengesetzten

Fördersystems ,

Fig. 21 eine schematische Darstellung des

Schrittablaufs des Wurmroboters und

Fig. 22 eine schematische Darstellung des

Einfahrvorganges des Wurmroboters.

In Fig. 1 ist ein Wurmroboter 1 dargestellt, der mehrere, im vorliegenden Fall sechs, entlang einer Wurmachse 4 hintereinander angeordnete Segmente 2 umfasst. Am vorderen und am hinteren Ende des Wurmroboters 1 ist jeweils ein kuppelartiges Anfangs- bzw. Endstück 3 vorgesehen. Die Segmente 2 weisen jeweils mehrere in radialer Richtung ausfahrbare Füße 5 auf. Die Verbindung der einzelnen

Segmente erfolgt mit Hilfe von Verbindungsmitteln, die jeweils als Hexapod ausgebildet sind, der sowohl eine Veränderung des Abstands zwischen benachbarten Segmenten 2 als auch eine allseitige Relativverschwenkung der Segmente 2 zueinander erlaubt.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist der Wurmroboter 1 in einer Ausführung aus acht Segmenten 2 mit mehrfach gekrümmter Wurmachse 4 dargestellt. Die Verbindung zweier benachbarter Segmente 2 erfolgt wiederum mit Hilfe eines Hexapods . Das Anfangs- bzw. Endstück 3 ist abweichend von Fig. 1 nur teilweise kuppeiförmig ausgebildet und weist an der Spitze einen Werkzeuganschluss 6 für die Ankoppelung von externen Werkzeugelementen auf. In dem Anfangsund/oder Endstück 3 können Steuereinheiten, Sensoren und weitere Komponenten untergebracht sein.

In der Detaildarstellung gemäß Fig. 3 ist anhand eines Teilabschnitts des Wurmroboters 1 die Möglichkeit der Umhüllung des Wurmroboters 1 mit Hilfe einer Hülle 7 gezeigt. Die Hülle ist aus mehreren Hüllensegmenten

zusammengesetzt, die einen flexiblen Hüllenbereich 8 umfassen, wobei die flexiblen Hüllenbereiche 8 benachbarter Hüllensegmente mit Hilfe von Verbindungsringen 9 lösbar miteinander verbunden sind. Die flexiblen Hüllenbereiche 8 umgeben jeweils die mit den radial ausfahrbaren Füßen 5 versehenen Segmente 2.

In Fig. 4a und 4b ist die Ausbildung der Verbindung

zwischen zwei benachbarten Segmente 2 als Hexapod 10 dargestellt. Der Hexapod 10 ist auf jeder Seite auf drei Anschlüsse 12 minimiert und besteht aus sechs Streben 11, welche die Anschlüsse 12 miteinander verbinden. Wie in Fig. 5 gezeigt, umfasst jede Strebe 11 einen Linearantrieb 13, der für die Längenveränderung der Strebe 11 verantwortlich ist. Die Anlenkung der Strebe 11 an den Segmenten 2 erfolgt über an den beiden Enden der Strebe 11 angeordnete Gelenke, die bei der Ausbildung gemäß den Fig. 4a, 4b und 5 als Kugelgelenke 14 ausgebildet sind. Durch gleichsinnige

Längenveränderung aller sechs Streben 11 in gleichem Ausmaß kann der Hexapod 10 zwischen der in Fig. 4a dargestellten ausgefahrenen Stellung und der in Fig. 4b dargestellten eingefahrenen Stellung verstellt werden, wodurch der

Abstand zwischen den Segmenten 2 unter Beibehaltung von deren paralleler Lage verändert werden kann. Wenn die

Streben 11 ungleichmäßig längenverändert werden, wird eine Verschwenkung der Segmente 2 relativ zueinander erreicht.

Bei der Ausbildung gemäß den Fig. 6a, 6b und 7 sind die Streben 11 an dem einen Ende mit Hilfe eines Kugelgelenks 14 und an dem anderen Ende mit Hilfe eines Kardangelenks 15 an dem jeweiligen Segment 2 angelenkt.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausbildung der Strebe 11 umfasst diese an beiden Enden ein Kardangelenk 15. Weiters ist in Fig. 8 eine mögliche Ausbildung des Linearantriebs 13 gezeigt. Die Strebe 11 umfasst einen zylinderartigen Teil 16 und einen kolbenartigen Teil 17, die ineinander verschiebbar sind. Der Linearantrieb 13 umfasst einen elektrischen Motor 18, der eine Spindel 19 antreibt, die mit einem Innengewinde des kolbenartigen Teils 17

zusammenwirkt. Der kolbenartige Teil 17 und der

zylinderartige Teil 16 sind gegeneinander gegen

Relativverdrehung um die Längsachse gesichert, sodass die Drehbewegung der Spindel 19 zu einer Verschiebung des kolbenartigen Teils 17 relativ zum zylinderartigen Teils 16 gemäß dem Doppelpfeil 20 führt.

In den Fig. 9a und 9b ist eine schematische

Querschnittsansicht eines Segments 2 dargestellt. Das

Segment 2 umfasst einen starren kreiszylindrischen

Grundkörper 21, der über den Umfang verteilt mehrere, im vorliegenden Beispiel sechs, radial aus- und einfahrbare Füße 5 aufweist. Die Füße 5 sind in Fig. 9a in der eingefahrenen Position und in Fig. 9b in der ausgefahrenen Position dargestellt. Der Antrieb für die radiale

Verstellung der Füße 5 ist in Fig. 9a und 9b nicht näher dargestellt .

In Fig. 10a und 10b ist eine Ausbildung der Füße 5 im Detail dargestellt. Der Fuß 5 umfasst ein erstes, radial inneres Fußelement 22, das von einem Vierkantrohr gebildet ist, und ein zweites, radial äußeres Fußelement 23, das ebenfalls einen viereckigen Querschnitt aufweist und im Vierkantrohr 22 verschieblich geführt ist. Im Inneren des Vierkantrohrs 22 ist eine Druckfeder 24 angeordnet, sodass das zweite Fußelement 23 gegen die Kraft der Druckfeder 24 verschieblich ist, um die Kontaktkraft beim Ausfahren des Fußes zu begrenzen. Am zweiten Fußelement 23 ist mittels eines Bolzens 26 ein ringsegmentartiges Kontaktelement 25 schwenkbar angeordnet, wobei das Kontaktelement 25 federnd in der in Fig. 10a gezeigten mittleren Schwenkposition gehalten ist. Zu diesem Zweck sind zwei Druckfedern 27 vorgesehen, über welche die bezüglich des Bolzens 26 gegenüberliegenden Bereiche des Kontaktelements 25 am zweiten Fußelement 23 abgestützt sind. In der

perspektivischen Darstellung gemäß Fig. 10b ist

ersichtlich, dass das Kontaktelement 25 zweiachsig gekrümmt bzw. bombiert ausgeführt ist.

Beim Einsatz als Rohrsanierungsroboter ist es, wie in Fig. IIa und IIb gezeigt, sinnvoll, die Segmente 2 mit

Ablenkrollen 28 an dem starren Grundkörper 21 zu versehen, damit die Segmente 2 durch die Form der Rohrleitung ggf. von selbst in die richtige Richtung geführt werden. Die Ablenkrollen 28 sind jeweils zwischen den Kontaktelementen 25 der Füße 5 angeordnet. Die Füße 5 sind in Fig. IIa in eingefahrenem Zustand und in Fig. IIb in ausgefahrenem Zustand dargestellt.

Die Fig. 12 und 13 zeigen eine Ausbildung, bei welcher ein Segment 2 und der zugeordnete Hexapod 10 lösbar miteinander verbunden sind, um Segmente 2 modular ergänzen, entfernen oder austauschen zu können. Die Anschlüsse 12 des Hexapods 10 sind zu diesem Zweck an einer Verbindungsplatte 29 ausgebildet, die lösbar mit einer mit dem

Segmentgrundkörper 21 verbundenen Verbindungsplatte 30 verbindbar ist. Die lösbare Verbindung ist als

Baj onettverschluss ausgebildet, wobei der

Baj onettverschluss in Fig. 13 in offenem Zustand und in Fig. 12 in geschlossenem und verriegeltem Zustand

abgebildet ist. Der Baj onettverschluss weist miteinander zusammenwirkende formschlüssige Verriegelungsglieder 31 und 32 auf. Weiters weisen die Verbindungsplatten 29 und 30 elektrische Kontakte 33 und 34 auf, die im geschlossenen Zustand des Ba onettverschlusses in elektrischem Kontakt stehen, um eine Strom- und/oder Datenübertragung von einem Segment 2 zum nächsten Segment 2 zu ermöglichen. Um eine elektrische Kontaktierung unabhängig von der

Winkelausrichtung der beiden Verbindungsplatten 30 und 31 zu gewährleisten, sind die elektrischen Kontakte 33 und 34 in einer der Anzahl der formschlüssigen

Verriegelungsglieder 31 und 32 entsprechenden Anzahl und Winkelabständen angeordnet. Die Verbindung der

Verbindungsplatten 30 und 31 mit dem Segmentgrundkörper 21 bzw. den Anschlüssen 12 des Hexapods 10 erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Schraubverbindungen.

In den Fig. 14, 15 und 16 ist die Ausbildung der Hülle des Wurmroboters 1 näher dargestellt. Die Hülle 7 ist aus mehreren Hüllensegmenten 46 zusammengesetzt, wobei in

Fig. 14 lediglich die einander zugewandten Endbereiche von zwei benachbarten Hüllensegmenten 46 dargestellt sind. Die Hüllensegmente 46 umfassen einen flexiblen Hüllenbereich 8, der zu beiden Seiten von einem Verbindungsring 9 begrenzt ist. Die Verbindungsringe 9 weisen jeweils formschlüssige Verbindungselemente zur Ausbildung eines

Bajonettverschlusses auf, der wasserdicht und

selbstverriegelnd ausgebildet ist. Wie in der

Detaildarstellung gemäß Fig. 15 ersichtlich, verfügt der

Baj onettverschluss über einen oder mehrere Sicherungsbolzen 35 und eine oder mehrere Druckfedern 36, welche bei

Zurückziehen des Bolzens eine Drehung verursachen und dadurch die beiden Hüllensegmente 46 voneinander trennen.

Das Abtrennen der Hüllensegmente 46 bewirkt in Verbindung mit einem ähnlichen Abspreng- bzw. Abtrennmechanismus in der mechanischen Kopplung der Segmente (Fig. 12 und

Fig. 13), dass bei Verschüttung oder Ausfall eines großen Teils des Wurmroboters der Rest geborgen werden kann.

Ein möglicher Aufbau eines Fräsarms 37, der am

Werkzeuganschluss 6 des Anfangsstücks 3 montiert werden kann, ist in Fig. 17 dargestellt. Der Fräskopf 38 ist an einem von zwei schwenkbaren Getriebegehäusen 39 und 40 montiert, die zusammen wie ein Roboterarm funktionieren und es ermöglichen den Fräskopf 38 präzise an jede beliebige Position zu bringen. Die Positionierung erfolgt durch

Rotation der Getriebegehäuse 39 und 40, welche durch zwei Schwenkmotoren angetrieben sind. Der Antrieb 41 bewegt hierbei das Gehäuse 39, der Antrieb 42 das Gehäuse 40 und der Hauptantrieb 43 den Fräskopf 38. Beim Einsatz als Tunnelbohrmaschine ist es wünschenswert das vom Bohrkopf des Wurmroboters gelockerte Material innerhalb des Wurmroboters entweder an dessen Ende zu transportieren oder in den Wurmroboter zu füllen, um das Material zu einem späteren Zeitpunkt zu entleeren, wenn sich der Wurmroboter wieder außerhalb des Tunnels befindet. In beiden Fällen benötigt man ein Transportsystem, um das Material innerhalb der Maschine weiterzubewegen. Dazu eignet sich beispielsweise ein mehrteiliges und flexibles, aber geschlossenes Fördersystem, wie es in den Fig. 18, 19 und 20 dargestellt ist und im Inneren des Wurmroboters angeordnet werden kann. Es besteht aus mehreren Segmenten 44 (Fig. 18,19), welche Material in eine Richtung fördern können und sich aneinander ketten lassen, ohne dass eine Verschwenkung der Segmente 2 zum Durchschreiten von Kurven behindert wird. Die Fördersegmente 44 sind

kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei das Material im

Inneren der Kegelstumpfform gefördert wird. Zur

Materialförderung weist das Fördersegment 44 eine Mehrzahl von umlaufenden Förderbändern 45 oder dgl. auf, die den Mantel des Kegelstumpfes axial umschlingen, wie dies in den Fig. 18 und 19 ersichtlich ist. In Fig. 20 ist gezeigt, dass die einzelnen Fördersegmente 44 ineinander greifen, um eine Materialübergabe von einem Fördersegment 44 auf das nächste Fördersegment 44 zu ermöglichen.

Der Fortbewegungsmechanismus des Wurmroboters wird nun anhand der Fig. 21 näher erläutert. In Fig. 21 ist der Wurmroboter schematisch durch seine sechs Segmente 2 sowie die radial ausfahrbaren Füße 5 dargestellt. Fig. 21 zeigt die Schritte eines Bewegungs zyklus , wobei der

Bewegungszyklus in einen ersten Abschnitt A und einen zweiten Abschnitt B unterteilt ist. Die Segmente lassen sich in zwei Gruppen von Segmenten einteilen. Eine erste Gruppe von Segmenten umfasst (von links nach rechts

gesehen) das erste, das dritte und das fünfte Segment. Eine zweite Gruppe von Segmenten umfasst (von links nach rechts gesehen) das zweite, vierte und sechste Segment.

Im Ausgangszustand (Sl) sind die Füße aller sechs Segmente 2 ausgefahren. Im ersten Abschnitt des Bewegungszyklus werden die Füße der Segmente der zweiten Gruppe im Schritt S2 eingefahren. Im Schritt S3 werden die Segmente der zweiten Gruppe nach rechts in Richtung zum jeweils nächsten Segment der ersten Gruppe verschoben. In Schritt S4 werden die Füße der Segmente der zweiten Gruppe wieder

ausgefahren .

Im zweiten Abschnitt passiert das Gleiche mit den Segmenten der ersten Gruppe. Im Schritt S6 werden die Füße der

Segmente der ersten Gruppe eingefahren. Im Schritt S7 werden die Segmente der ersten Gruppe nach rechts in

Richtung zum jeweils nächsten Segment der zweiten Gruppe verschoben. Im Schritt 8 werden die Füße der Segmente der ersten Gruppe wieder ausgefahren. Es ist ersichtlich, dass der Wurmroboter im Endzustand (S8) gegenüber dem

Ausgangszustand (Sl) um einen Weg fortbewegt wurde, welcher dem Verschiebeweg der Segmente im Schritt S3 bzw. S7 entspricht .

Fig. 22 zeigt den Einfahr- bzw. im umgekehrten Ablauf den Ausfahrvorgang des Wurmroboters, damit dieser beim

Transport oder bei Festsetzung in einem Rohr so kompakt wie möglich ist. Im Ausgangszustand SO sind die Füße aller Segmente 2 im ausgefahrenen Zustand. Im Schritt Sl werden das zweite, das vierte und das sechste Segment nach links verschoben. Im Schritt S2 werden das dritte und das fünfte Segment nach links verschoben. Im Schritt S3 werden das vierte und das sechste Segment nach links verschoben.

Danach wird im Schritt S4 das fünfte Segment nach links verschoben. Im Schritt S5 wird das sechste Segment nach links verschoben, sodass alle Segmente zusammengeschoben wurden. Dabei ist das erste Segment stationär geblieben und alle anderen Segmente wurden an das erste Segment

geschoben. Im letzten Schritt S6 können die Füße der

Segmente eingefahren werden.