Unterirdische Inspektion

Sicherheit beim Tunnelbau: DFKI entwickelt Software für Wartungsroboter

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Demonstration der Steuerung des vom DFKI in Bremen mitentwickelten Wartungsroboters für den Bau von Tunneln.

Bremen - Von Viviane Reineking. Berge und Gewässer lassen sich durch sie komfortabel und zeitsparend unterqueren, doch der Tunnelbau birgt viele Risiken. Ihn sicherer und effizienter zu machen, war Ziel eines EU-Projektes, an dem das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen beteiligt war.

Im internationalen Verbundprojekt „Nettun“ (Neue Technologien für Tunnel- und Tiefbauarbeiten) arbeiteten 21 Partner daran, Konstruktion, Management und Wartung der unterirdischen Bauwerke – Meisterleistungen der Ingenieurskunst – grundlegend zu verbessern. Dazu gehörte es etwa, Schneidwerkzeuge mit längerer Lebensdauer, ein mit Sensoren ausgestattetes Bodenvorhersagesystem für schnelles Vorausschauen während des Bohrens sowie Systeme zur Kontrolle der Auswirkungen des Tunnelbaus auf die Umgebung zu entwickeln.

Maschinen sind mehr als 100 Meter lang

Den Bohrvorgang sicherer und effizienter zu machen, war das Anliegen einer Zusammenarbeit des DFKI mit dem französischen Unternehmen NFM Technologies, einem Hersteller von Tunnelbohrmaschinen (TBM).

Die großen Baumaschinen haben nach Angaben von Mehmed Yüksel vom DFKI einen Durchmesser von acht bis 15 Metern und eine Länge von mehr als 100 Metern. Benötigt werden beim Bohren extrem hohe Kräfte: „Eine lange zylindrische Maschine macht unter der Erde eine Drehbewegung mit einem Drehmoment von mehr als 5000 Kilonewtonmetern (kNm) und Schubkraft, so dass der Drehkopf sich am Gegenstand reibt und die Oberfläche bricht“, erklärt Yüksel die Funktionsweise der Maschinen.

Komplexe Wartungsarbeiten per Fernsteuerung erledigen

Weil die mechanischen Schneidwerkzeuge am Bohrkopf – die „discutter“ und „drag bits“ – verschleißen, müssen die TBM oft für Wartungen gestoppt werden. Dabei werden die großen und bis zu 200 Kilogramm schweren Schneidwerkzeuge in einer lebensgefährlichen Umgebung manuell geprüft und gegebenenfalls ersetzt. Neben der Arbeit unter höherem Druck bis zu zehn Bar und extremen Temperaturen sei „die Gefahr eines Einsturzes im vorderen Bereich des Tunnels immer vorhanden“, so der Wissenschaftler des Bremer Forschungsinstitutes.

Die beiden Projektpartner entwickelten ein robustes Robotersystem für TBM, das nicht nur Routineaufgaben, etwa die Inspektion und den Austausch der Schneidwerkzeuge, automatisiert durchführt, sondern auch komplexe Inspektions- und Wartungsarbeiten durch Fernsteuerung ermöglicht. Die Wartung werde auf diese Weise vereinfacht und beschleunigt, gleichzeitig verringere sich das Risiko für den Menschen, dessen Präsenz in der gefährlichen Arbeitsumgebung nicht mehr unbedingt notwendig sei.

Steuerung live mit 3D-Maus

Das im Projekt entwickelte System setzt sich aus dem mit zwei Greifern ausgestatteten Roboterarm „Hector“, der über sieben bewegliche Achsen verfügt, sowie aus einer vom Robotics Innovation Center des DFKI konzipierten Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Steuerung des Roboters zusammen. Die Schnittstelle in Form einer 3D-Maus besitzt unter anderem eine Live-Kameraansicht. Die vom DFKI entwickelte Software zur Steuerung des Roboters ermögliche es, den Arm und die Greifer mit Hilfe der 3D-Maus gleichzeitig und unabhängig voneinander zu betätigen.

Von einer Schutzkammer in der Tunnelbohrmaschine bewegt sich das Robotersystem automatisch auf eine Position außerhalb der Kammer. Die Schneidwerkzeuge werden vom System gereinigt und vom Operator mit Hilfe des Live-Kamerabildes und der Sensorinformationen aus sicherer Entfernung inspiziert. Identifiziert der Operator ein verbrauchtes oder defektes Schneidwerkzeug, wird es vom Wartungsroboter ausgetauscht.

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