Entwicklung eines mobilen Inspektionsroboters für das Strahlrohr des SIS100 bei FAIR

Schweizer, Nicolai (2022)
Entwicklung eines mobilen Inspektionsroboters für das Strahlrohr des SIS100 bei FAIR.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021905
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/21905

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das Vakuumsystem eines Teilchenbeschleunigers ist eine hochreine Umgebung, die zur Durchführung von Strahlexperimenten notwendig ist. Fremdkörper oder Beschädigungen im System können den Beschleunigerbetrieb empfindlich stören und zum Ausfall der Anlage führen. Für das Schwerionensynchrotron SIS100 des derzeit im Bau befindlichen Beschleunigerzentrums FAIR in Darmstadt wird daher eine Lösung gesucht, um das Strahlrohr regelmäßig überprüfen zu können. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Entwicklung eines teilautonomen Roboters zur Strahlrohrinspektion des SIS100. Die besondere Herausforderung besteht in der sich häufig ändernden und zum Teil sehr engen Rohrgeometrie. Übergänge zwischen zwei Rohrabschnitten bilden stufenförmige Hindernisse, die von einem Inspektionsroboter überwunden werden müssen. Zudem handelt sich bei einem Synchrotron um einen Ringbeschleuniger, der neben geraden auch gekrümmte Strahlrohre enthält. Vorgeschlagen wird ein modularer Roboter mit je zwei Stellgelenken zwischen den Modulen. Dadurch ist die Beweglichkeit zur Hindernisüberwindung und zum Durchfahren von Kurven gegeben. Abstandssensoren detektieren Geometrieänderungen im Strahlrohr und signalisieren, wann bestimmte Positionen für den nächsten Bewegungsschritt und zur Gelenkverstellung erreicht sind. Neben der Überwindungsstrategie für einen einfachen stufenförmigen Übergang werden auch Strategien zur Durchquerung komplexer Rohrabschnitte, in denen sich die Strahlrohrgeometrie in kurzen Abständen mehrfach ändert, vorgestellt. Diese Hindernistypen legen letztlich die finale Roboterkonfiguration mit fünf Modulen fest. Durch die Reduzierung des Roboters auf ein einzelnes Ersatzrad vereinfacht sich die Beschreibung der Bewegung im Rohr erheblich. In Kombination mit einem Steuerungssansatz für die Bewegung in der Ebene resultiert ein Gesamtmodell, das für eine Spurhalteregelung verwendet wird. Mithilfe einer inertialen Messeinheit werden Abweichungen des Roboters von der idealen Fahrlinie sowohl im geraden als auch im gekrümmten Rohr geschätzt. Der Aufbau eines Prototyps und durchgeführte Fahrversuche bestätigen die Verwendbarkeit des entwickelten Roboters.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2022

Autor(en):

Schweizer, Nicolai

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Entwicklung eines mobilen Inspektionsroboters für das Strahlrohr des SIS100 bei FAIR

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Adamy, Prof. Dr. Jürgen ; Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver

Publikationsjahr:

2022

Ort:

Darmstadt

Kollation:

xi, 181 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

11 Juli 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00021905

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/21905

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

The vacuum system of a particle accelerator is a highly purified environment which is essential for performing beam experiments. Foreign materials or damage within the system can considerably disrupt accelerator operation and can lead to a failure of the facility. Therefore, a solution is being sought to enable the beamline of the heavy-ion synchrotron SIS100 at the FAIR accelerator center currently under construction in Darmstadt, Germany to be checked regularly. This thesis contributes to the development of a semi-autonomous robot for beamline inspection of the SIS100. The special challenge is given by the frequently changing and sometimes very narrow pipe geometry. Transitions between two pipe sections form stepped obstacles that have to be overcome by an inspection robot. In addition, a synchrotron is a ring acclerator that consists of both straight and curved beam pipes. A modular robot with two articulated joints between each module is proposed. This concept provides the mobility to overcome obstacles and for driving curves. Distance sensors detect geometrical changes of the beam pipe and indicate the reaching of certain positions to perform the next movement step and joint adjustments. Presented is not only the strategy for a simple stepped transition but also strategies for traversing complex pipe sections, in which the geometry of the beam pipe changes several times at short intervals. These obstacle types ultimately determine the final robot configuration with five modules. Reducing the robot to a single wheel considerably simplifies the description of the movement in the pipe. In combination with a control approach for the motion on a flat surface, this results in a model which is used for a lane keeping control system. An inertial measurement unit estimates deviations of the robot from the ideal driving path in both straight and curved pipes. The construction of a prototype and the conducted experiments confirm the feasibility of the developed robot.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-219053

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Regelungsmethoden und Robotik (ab 01.08.2022 umbenannt in Regelungsmethoden und Intelligente Systeme)

Hinterlegungsdatum:

12 Aug 2022 09:08

Letzte Änderung: