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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. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00021905,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Entwicklung eines mobilen Inspektionsroboters für das Strahlrohr des SIS100 bei FAIR
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

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.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 181 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Control Methods and Robotics (from 01.08.2022 renamed Control Methods and Intelligent Systems)
Date Deposited: 12 Aug 2022 09:08
Last Modified: 22 Aug 2022 07:21
DOI: 10.26083/tuprints-00021905
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-219053
Referees: Adamy, Prof. Dr. Jürgen ; Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver
Date of oral examination: 11 July 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21905
PPN: 498340589
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