Entwicklung, Implementierung und Evaluierung eines endoskopischen Roboters für die minimal-invasive Reparatur von Triebwerken

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde sich mit der Prototypenentwicklung eines endoskopischen Roboters befasst, der bei der Wartung und Reparatur von Flugzeugtriebwerkskomponenten zum Einsatz kommen soll. Im Zuge der noch frühen Entwicklungsphase des Gesamtprojektes wurde als Ziel dieser Arbeit vor allem die Findung geeigneter Lösungsstrategien formuliert, um den gegebenen Systemanforderungen zu begegnen und vorteilhaft erscheinende Konstruktionsansätze zu erforschen. Vor diesem Hintergrund wurde sich für die Gestaltung von zwei Robotervarianten entschieden, die jeweils aus einem Gelenkteil und einem Kontinuumssegment bestehen. Für den Gelenkteil wurde eine Ausführung als Kugel-Pfanne-Gelenk gestaltet und die andere als Kugel-Kugel-Gelenk. Das Kontinuumssegment wurde mit einer weichen Silikonstruktur in Kombination mit einem unterstützenden, zentral laufenden Drahtrückgrat konzipiert. Die beiden Robotervarianten wurden kinematisch modelliert und im Hinblick auf ihren Arbeitsraum sowie ihre Geschicklichkeit untersucht. Abgesehen von leichten Differenzen, die durch konstruktiv bedingte, unterschiedliche Eingangsparameter hervorgerufen werden, haben beide Varianten einen ähnlichen Arbeitsraum und zeigen ebenfalls ähnliche Dexteritätsverteilungen über diesen. Im Anschluss wurden experimentelle Evaluierungen durchgeführt, um die in der Praxis auftretenden Bewegungsmuster der Komponenten zu untersuchen. Hierfür wurden die vorgestellten Segmente jeweils mit Hilfe eines Laser-Triangulationsverfahrens eingemessen, um die tatsächlichen Transformationen zwischen dem Schaft und einer ausgelenkten Stellung der zu untersuchenden Komponente zu bestimmen und diese dann mit den angegebenen Zielparametern zu vergleichen. Mit den Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass beide Gelenktypen trotz einer zunächst reinen kinematischen Modellierung eine verhältnismäßig hohe Positionsund Wiederholgenauigkeit aufweisen. Die beobachteten Abweichungen bewegen sich für das Kugel-Pfanne-Gelenk größtenteils in einem Bereich von ±3◦, für das Kugel-Kugel-Gelenk sogar größtenteils in einem Bereich von ±2◦. Die experimentelle Evaluierung des Kontinuumssegmentes hat bewiesen, dass die Gestaltungsart des Segmentes grundsätzlich zu guten Ergebnissen fähig sein kann, wenn Lösungen für die unzureichende Steifigkeit gefunden werden können und damit ein besserer Ausgleich zwischen Biegefähigkeit und Systemstabilität gewährleistet werden kann. Insgesamt erfordert besonders das Kontinuumssegment aufgrund seiner hohen Komplexität eine weitreichendere Betrachtung, die über die Ziele dieser Arbeit hinaus gehen und Gegenstand zukünftiger Entwicklungsphasen sein sollte. Aufgabe der nahen Zukunft wird vor allem sein, die in dieser Arbeit erlangten Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des endoskopischen Roboters in folgenden Prototypenentwicklungsphasen zu nutzen. Dahingehend wurde im Zuge dieser Arbeit ein erster Grundstein gelegt, um die nächsten Entwicklungsschritte hin zu einem leistungsfähigen Lösungssystem im Bereich der endoskopischen Reparaturrobotik zu gestalten.