ULC Robotics, SGN entwickelt vollelektrischen Ausgrabungsroboter

Das Projekt befasst sich mit einem autonomen Ausgrabungssystem für Straßenbauarbeiten zum Schutz der Arbeiter und Anwohner bei der Modernisierung und Instandhaltung von Gasleitungen.

Eine Zusammenarbeit zwischen ULC Robotics und SGN, einem der größten Gasnetzunternehmen in Großbritannien, hat die Halbzeit in einem Projekt erreicht, bei dem es um die Schaffung eines autonomen Robotersystems geht, das für Straßenaushubprojekte innerhalb des Versorgungssektors eingesetzt werden kann.

Das Projekt Robotisches Straßenbau- und Ausgrabungssystem (RRES), das Anfang 2018 begann, kombiniert einen leistungsstarken Industrieroboter, ein vollelektrisches Raupenantriebssystem, unterirdische Ortungssensoren, künstliche Intelligenz, maschinelles Sehen und neue Vakuumausgrabungsmethoden für sicherere und schnellere autonome Straßenbauprojekte. Das Projekt, das durch die britische Energieregulierungsbehörde Ofgem (Office of Gas and Electricity Markets) finanziert wird, hat fortschrittliche Robotik, künstliche Intelligenz und nachhaltige Komponenten in dem Bemühen integriert, die Effizienz und Sicherheit zu verbessern und die Umweltbelastung und die Kosten für Ausgrabungen von Versorgungseinrichtungen zu senken.

"Wir befinden uns in der Mitte des Projekts und in Zusammenarbeit mit SGN konnten wir den weltweit ersten funktionsfähigen, vollständig elektrisch betriebenen autonomen Grabungsroboter entwickeln", sagte Dr. Ali Asmari, Programm-Manager bei ULC Robotics. "Es bleibt noch eine beträchtliche Menge an Arbeit übrig, einschließlich der Entwicklung zusätzlicher Werkzeuge und Unterstützungsausrüstung sowie der Prüfung und Validierung des Roboterbetriebs in verschiedenen Umgebungen, aber wir haben ein hervorragendes Team und sind zuversichtlich, dass der Roboter im Jahr 2021 einsatzbereit sein wird

Das RRES führt derzeit autonome Operationen durch, darunter das Schneiden der Straßenoberfläche und die Durchführung eines patentierten Vakuumaushubverfahrens. Erste Feldversuche von RRES sollen noch in diesem Jahr im SGN-Netzwerk stattfinden, so die Unternehmen.

"Da wir in Großbritannien 76.000 km unterirdische Pipelines betreiben und jedes Jahr Tausende von Ausgrabungen vornehmen, erkennen wir die Notwendigkeit intelligenter Straßenbauarbeiten", sagte John Richardson, Leiter der Abteilung Innovation bei SGN. "Wir sind führend in den Bemühungen, den Aushub von Versorgungseinrichtungen zu verändern, indem wir in die Entwicklung von Technologien zur Lösung dieses globalen Problems investieren

Richardson sagte, dass die Entwicklung, die Erkenntnisse und die Ergebnisse des Projekts "unsere Erwartungen weit übertroffen haben". Wir sehen RRES als eine Plattform, die expandieren kann, um den Bedürfnissen der globalen Versorgungs- und Bauindustrie gerecht zu werden"

Das Team begann das Projekt zunächst durch Computerdesign, Simulation und Tests, mit der Entwicklung von Prototypen und Tests in Laborszenarien. Das Projekt begann mit dem Netzwerk-Innovationswettbewerb von Ofgem, der sich bereit erklärte, das dreijährige Projekt zu finanzieren.

Ein Hauptanliegen des Projekts ist es, Schäden durch Dritte zu reduzieren, was manchmal geschieht, wenn Arbeiter während des Ausgrabungsprojekts unterirdische Leitungen beschädigen, die dem Versorgungsunternehmen oder einem separaten Versorgungsunternehmen gehören. Die Reduzierung des Kohlenstoff-Fußabdrucks ist ein weiterer Treiber, weshalb das System als Elektrofahrzeug konzipiert ist, das mit Batterien und drahtlos betrieben wird. "Im Moment werden im normalen Verlauf der Wartungs- und Reparaturarbeiten für Versorgungsunternehmen große Bagger, Muldenkipper und andere Geräte eingesetzt", sagte Robert Kodadek, Präsident und CTO von ULC Robotics.

Wie das System funktionieren wird

Die Idee hinter dem RRES ist, dass die Arbeiter die Maschine auf die Baustelle bringen und sie von der Ladefläche eines Pritschenwagens oder aus einem Anhänger herausfahren. Die Arbeiter sagen ihm im Wesentlichen, wo er ausgraben soll, und das System scannt den Boden mit seinen Sensoren, um festzustellen, ob sich in der ersten Schicht aus Asphalt und Beton vergrabene Infrastruktur befindet. Dann schneidet das System ein Loch in die Fahrbahn und entfernt den durch das Schneiden entstandenen Kern. Das System scannt dann den Boden erneut, um zu sehen, ob in der nächsten Schmutzschicht etwas vergraben ist.

"Wir nennen es Soft-Touch-Ausgrabung, bei der bis zu einer Schicht ausgegraben wird, die durch die Abtastung als klar bestimmt wurde", sagte Kodadek. "Es gibt uns eine größere Sicherheit bei unserer Ausgrabung und lässt uns so schnell wie möglich vorankommen. Also graben wir in Schichten aus und scannen bis hinunter zu den vergrabenen Gräbern."

Das Team sagte, dass der Schwerpunkt dieses Projekts zwar auf Erdgasleitungen liegt, dass es aber auch dazu verwendet werden könnte, bis hinunter zu elektrischen Leitungen, Telekommunikationsleitungen, Kanalisation oder Wasserrohren zu graben, mit dem letztendlichen Ziel, Reparatur- und Wartungsarbeiten an diesen Systemen durchführen zu können.

Darüber hinaus betonte das Team, dass das Ziel des Systems nicht darin besteht, Menschen aus dem Arbeitsleben zu entlassen, sondern ihnen bessere Werkzeuge und eine sicherere Umgebung zu bieten, um diese Operation effektiv durchzuführen. "Es ist eine Operation, die nicht verschwindet", sagte Asmari. "Ausgrabungen müssen so lange durchgeführt werden, wie wir Versorgungseinrichtungen unter der Erde vergraben haben. Es geht nur darum, ob wir unsere Leute der Gefahr aussetzen, diesen gefährlichen Umgebungen ausgesetzt zu werden, oder ob wir bessere Werkzeuge für sie schaffen, die sie nutzen können"

Entwicklung von integrierten Sensoren

Anstatt einen bestimmten Sensor für die Scan-Aufgabe auszuwählen, untersuchte das Projektteam alle Arten von verfügbaren Sensoren, um die beste Art für das System zu bestimmen. "Wir haben jeden Sensor, jeden Verkäufer und jeden Hersteller, jedes Produkt, das einen Anspruch hat, der für die Erkennung von unterirdischen Versorgungseinrichtungen nützlich sein könnte, herausgerufen und hergebracht", sagte Asmari. "Wir haben sie alle getestet und bewertet und ein Integrationsmodell entwickelt, bei dem nicht nur ein spezifischer Sensor, sondern eine Reihe von Sensoren auf der Grundlage verschiedener Technologien, wie elektrische, magnetische und akustische Wellen, verwendet wird, und was wir jetzt tun, ist die Integration der besten dieser Welten in einer Plattform

Darüber hinaus sind die Sensoren in die Roboterplattform integriert, um dem System sehr genaue Lokalisierungsinformationen zu geben. Auf dem Markt erhältliche Sensoren können zwar von der Stange gekauft werden, aber sie werden schließlich von den Betreibern manuell eingesetzt, und die Lokalisierung und Datenverarbeitung ist aufgrund möglicher Fehler der Betreiber bei der Datenerfassung und -verarbeitung weniger genau.

"Das Problem ist, dass Sensoren, die in einer Laborumgebung erfolgreich sein könnten, vor Ort weniger erfolgreich sein können, weil ein durchschnittlicher Bediener vielleicht nicht genau auf die Details achtet, die ein Robotersystem nicht vermissen würde", sagte Asmari.

Zusammen mit dem RRES wird auch eine fortschrittliche Datenverarbeitung entwickelt, um die Entscheidungsfindung darüber, wann und wo ausgegraben werden soll, zu beschleunigen. Gegenwärtig werden die Daten vor Ort gesammelt und dann an Experten vor Ort geschickt, die sich die Daten anschauen und ihnen einen Sinn geben und eine zentrale Karte erstellen. Mit dem RRES nutzt das Team KI, maschinelles Lernen und andere Datenverarbeitungstechniken, um die Daten vor Ort zu betrachten und Entscheidungen vor Ort zu treffen, ohne dass ein Experte zur Verfügung stehen oder auf Abruf verfügbar sein muss. Fortschritte in der Kommunikation und in den Spitzentechnologien der KI werden ebenfalls untersucht, sagte Kodadek.

Neue Wege der Ausgrabung

Bei der Entwicklung einer effizienteren Aushubmethode setzt das Team eine Kombination aus Druckluft- und Vakuumverfahren sowie kundenspezifische Werkzeuge ein, die vom Roboter als Endeffektor gesteuert werden können, um den Boden schnell auszuheben.

"Eines der Dinge, an denen wir in den Simulationen viel gearbeitet haben, ist die Optimierung des Einsatzes verschiedener Überschalldüsen, um die stärkste Druckluftdüse zum Aufbrechen des Bodens zu erzeugen", sagte Kodadek. "Wir haben viel Zeit damit verbracht, Finite-Elemente-Analysen und Simulationen durchzuführen, aber dann auch Prototypen dieser Düsen zu bauen, und wir haben das Gefühl, dass wir etwas wirklich, wirklich Besonderes haben

Test, dann Einsatz

Am Ende des Projekts plant das Team durch die Zusammenarbeit mit dem SGN eine Live-Ausgrabung mit dem System in Großbritannien durchzuführen. Während des gesamten Projekts haben Versorgungsunternehmen auf der ganzen Welt, einschließlich der USA, Interesse an der Entwicklung bestimmter Komponenten des Systems für ihre eigenen Projekte bekundet, sagte Kodadek.

"Es gibt spezifische Komponenten des Projekts, die möglicherweise in ihre Netzwerke hinein erweitert werden, bevor das gesamte System fertig ist", sagte er. "Ein Teil der Ausgrabungstechnologie kann zum Beispiel herausgebrochen werden, und einige der Entwicklungen, die Ali und sein Team durchgeführt haben, sind für die Arbeit [der Versorgungsunternehmen], die sie jeden Tag machen, so relevant, dass sie daran interessiert sind, diese einzelne Komponente zu nehmen und für ihre Anwendungen weiterzuentwickeln

Er fügte hinzu, dass er hoffe, dass die Menschen verstehen, wie bahnbrechend dieses Projekt ist.

"Wir nehmen Technologie, die in einer Fabrikumgebung eingesetzt wird, und setzen sie in der Praxis ein, um die Robotik als Dienstleistung durchzuführen und die traditionellen Techniken sicherer, schneller, billiger und mit einem geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck als bisher zu machen", sagte Kodadek. "Es wäre also großartig, wenn die Leute sich das ansehen und sagen würden: 'Wow, diese Jungs leisten eine erstaunliche Arbeit zum Wohle der Gesellschaft' “