Auswahl eines Unterwasserroboters mit magnetischen Rädern

Unterwasserroboter (ROVs oder AUVs) spielen bei Unterwassereinsätzen eine immer wichtigere Rolle. Ihre Fähigkeit, Aufgaben effizient und stabil zu erfüllen, hängt weitgehend von der Leistung ihrer Kernkomponenten ab. Für Unterwasserroboter, die sich auf metallischen Oberflächen bewegen müssen, ist die Wahl der Magneträder entscheidend. Dieser Artikel befasst sich mit den wichtigsten Faktoren, die bei der Auswahl von Magneträdern für Unterwasserroboter zu berücksichtigen sind, und hilft Ihnen, eine fundierte Entscheidung zu treffen.

1. Wasserdichtigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Versiegelung: Die Härten der Unterwasserwelt

Die Unterwasserumgebung unterscheidet sich erheblich von der an Land. Hoher Druck und korrosive Medien (wie Salze und verschiedene Mikroorganismen im Meerwasser) stellen extrem hohe Anforderungen an die Wasserdichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Ausrüstung.

Vollständig abgedichtete Konstruktion: Dies ist die grundlegendste und wichtigste Anforderung an Unterwasser-Magneträder. Die magnetischen Materialien und mechanischen Komponenten im Inneren des Magnetrads müssen vollständig von Wasser isoliert sein, um ein Eindringen zu verhindern, das zu Korrosion, Kurzschlüssen oder mechanischem Versagen führen könnte. Techniken wie O-Ringe, Ferrofluid-Dichtungen oder geschweißte Dichtungen werden üblicherweise verwendet, um eine hochwertige Abdichtung zu erreichen.

Auswahl der Materialien: Das äußere Gehäuse und die inneren Komponenten des Magnetrads sollten aus korrosionsbeständigen Materialien wie Edelstahl (insbesondere 316L-Edelstahl in Marinequalität), Titanlegierungen oder technischen Kunststoffen hergestellt werden. Was die Magnete selbst betrifft, so bieten Dauermagnete (wie Neodym-Eisen-Bor) zwar eine starke Magnetkraft, sind aber in feuchten Umgebungen sehr oxidationsanfällig. Daher sind spezielle Korrosionsschutzbehandlungen unerlässlich, wie z. B. die Verkapselung mit Epoxidharz, die galvanische Beschichtung mit Nickel-Kupfer-Nickel (Ni-Cu-Ni) oder Polymerbeschichtungen.

Magnetische Kraft und Durchdringung: Die Unterwasserumgebung wirkt sich nicht grundsätzlich auf das Eindringen der Magnetkraft aus. Die Stärke der Magnetkraft hängt von der Leistung des Magneten und dem Design des Magnetkreises ab. Unterwasser-Magneträder müssen jedoch möglicherweise mit Rumpfoberflächen umgehen, die mit Biofouling (z. B. Seepocken, Algen) oder Beschichtungen bedeckt sind. Diese Medien vergrößern den Abstand zwischen dem Magnetfeld und der Metalloberfläche, wodurch die effektive Haftung geschwächt wird. Daher werden Magneträder mit ausreichend starker Magnetkraft benötigt, um diese Lücken zu überwinden.

2. Gummi-Schutzhüllen: Schutz vor Kratzern am Rumpf

Ob eine Gummihülle angebracht werden sollte, hängt vom Anwendungsszenario und den Anforderungen an die Oberfläche des zu prüfenden Objekts ab.

Schutz der Rumpflackierung: Bei Robotern, die am Rumpf, an Rohren oder anderen beschichteten Oberflächen haften und diese inspizieren oder reinigen müssen, ist der Einsatz von verschleißfesten Gummimanschetten unerlässlich. Gummimanschetten können die Reibung effektiv erhöhen und verhindern, dass die Magneträder die Oberfläche des Rumpfes direkt berühren und Kratzer verursachen, insbesondere bei hochwertigen oder leicht zu beschädigenden Beschichtungen.

Erhöhte Reibung: Gummimanschetten erhöhen auch den Reibungskoeffizienten zwischen dem Magnetrad und der Kontaktfläche erheblich, was die Haftung des Roboters auf rutschigen oder verschmutzten Oberflächen verbessert und damit die Stabilität der Mobilität und die Kletterfähigkeit erhöht.

Material und Langlebigkeit: Das Material der Gummimanschette sollte eine gute Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, UV-Beständigkeit und Alterungsbeständigkeit aufweisen, um einem langfristigen Einsatz in der Unterwasserumgebung standzuhalten.

3. Zusätzliche Betriebsfähigkeiten und Belastungserwägungen: Hochdruck-Wasserpistolen und Schleifwerkzeuge

Unterwasserroboter müssen oft verschiedene Werkzeuge mit sich führen, und das Gewicht dieser Werkzeuge und die während des Betriebs auftretenden Reaktionskräfte haben einen direkten Einfluss auf die Auswahl der Magneträder.

Erhöhte Last: Das Tragen von Geräten wie Hochdruckwasserpistolen, Schleifwerkzeugen, Bürsten oder Sensoranordnungen erhöht das Gesamtgewicht des Roboters erheblich. Die Tragfähigkeit des Magnetrads muss in der Lage sein, das Körpergewicht des Roboters, das Gewicht aller getragenen Werkzeuge und die zusätzlichen Schub- oder Zugkräfte zu tragen, die während des Werkzeugbetriebs entstehen.

Betriebliche Reaktionskräfte: Besonders beim Einsatz von Hochdruckwasserpistolen oder Schleifwerkzeugen entstehen starke Reaktionskräfte, die versuchen, den Roboter von der Haftfläche wegzuschieben oder zu ziehen. Die Haftkraft des Magnetrads muss viel größer sein als diese Reaktionskräfte, damit der Roboter stabil an der Oberfläche haften bleibt und seine Aufgabe erfüllen kann.

Stromverbrauch und Batterielebensdauer: Zusätzliche Operationen erhöhen nicht nur das Gewicht, sondern bedeuten in der Regel auch einen höheren Stromverbrauch. Dies wirkt sich auf die Batterielebensdauer des Roboters aus und muss bei der Systemauslegung berücksichtigt werden.

4. Auftriebsdesign: Positiver oder negativer Auftrieb?

Die Auftriebseigenschaften des Roboters wirken sich erheblich auf seine Unterwasserbewegung und seine Betriebsmethoden aus, die indirekt mit der Auswahl der Magneträder zusammenhängen.

Positiver Auftrieb: Das bedeutet, dass der Roboter von Natur aus im Wasser schwimmt.

• Vorteile: Bei Strom- oder Haftungsverlust schwimmt der Roboter automatisch an die Oberfläche, was die Bergung erleichtert und das Verlustrisiko verringert.
• Anwendungsszenarien: Geeignet für Roboter, die keine langfristige oder starke Haftung an Unterwasserstrukturen benötigen, oder wenn ein schnelles Auftauchen nach Einsätzen erforderlich ist.
• Auswirkungen auf magnetische Räder: Wenn ein schwimmfähiger Roboter am Boden oder an den Seitenwänden einer Unterwasserstruktur haften muss, müssen die Magneträder eine größere Haftung nach oben oder zur Seite bieten, um dem Auftrieb entgegenzuwirken.

Negativer Auftrieb: Bedeutet, dass der Roboter im Wasser natürlich sinkt.

• Vorteile: Der Roboter kann stabiler in die Zieltiefe sinken und sich auf sein eigenes Gewicht verlassen, um die Haftung an der Oberseite oder den Seitenwänden von Unterwasserstrukturen zu unterstützen, wodurch die von den Magneträdern benötigte Haftungskraft verringert wird.
• Anwendungsszenarien: Geeignet für Roboter, die langfristig an Unterwasserstrukturen arbeiten müssen, oder für Vermessungs- und Wartungsarbeiten in Tiefwasserumgebungen.
• Auswirkungen auf Magneträder: Der negative Auftrieb hilft dem Roboter, sich auf die haftende Oberfläche zu "drücken". Die Hauptaufgabe der Magneträder besteht darin, die seitliche Reibung für die Bewegung und eine ausreichende Haftung bei Neigung oder Umkehrung zu gewährleisten.

Neutraler Auftrieb: Im Idealfall sind viele Unterwasserroboter für einen neutralen Auftrieb ausgelegt, d. h. sie schwimmen weder im Wasser noch sinken sie. Dadurch wird der Auftrieb bzw. die Schwerkraft, die der Roboter während der Unterwasserbewegung überwinden muss, auf ein Minimum reduziert, was die Belastung der Schubdüsen oder Magneträder verringert und die Energieeffizienz und Manövrierfähigkeit verbessert.

• Erreichen: Dies wird in der Regel durch Anpassung des Ballasts und der schwimmfähigen Materialien des Roboters (z. B. Auftriebsmodule) erreicht.

Zusammenfassung: Das Auftriebsdesign beeinflusst direkt den Bedarf des Roboters an magnetischer Radhaftung. Positiv schwimmende Roboter benötigen mehr Haftkraft von Magneträdern, um den Auftrieb zu überwinden, während negativ schwimmende Roboter die Schwerkraft zur Unterstützung der Haftkraft nutzen können.

5. Magnetische Radlastkapazität: Berechnung und Marge

Die Tragfähigkeit von Magneträdern ist ein entscheidender Indikator für ihre Fähigkeit, den Roboter und seine Missionsausrüstung zu tragen.

Berechnung der Gesamtlast: Die Gesamttragfähigkeit der Magneträder muss die folgenden Gewichte abdecken:

• Gewicht des Roboterkörpers: Dies ist das Grundgewicht.
• Gewicht der mitgeführten Ausrüstung und Werkzeuge: Dazu gehören Sensoren, Kameras, Manipulatoren, Reinigungswerkzeuge usw.
• Eigengewicht des magnetischen Rades: Bei Magneträdern mit größerem Durchmesser sollte ihr Eigengewicht nicht außer Acht gelassen und in die Gesamtlast einbezogen werden.

Sicherheitsspielraum einkalkulieren: Bei praktischen Anwendungen kann die tatsächliche Haftkraft aufgrund von Faktoren wie unebenen Oberflächen, Verschmutzung und Wasserströmung abnehmen. Daher sollte bei der Auswahl von Magneträdern deren Nennbelastbarkeit deutlich höher sein als das theoretisch berechnete Gesamtgewicht, wobei in der Regel eine Sicherheitsmarge von 20 % bis 50 % oder noch höher empfohlen wird. Das heißt, wenn Ihr Roboter 100 kg wiegt, müssen Sie möglicherweise Magneträder mit einer Haftkraft von 120 kg bis 150 kg oder noch mehr auswählen.

6. Reibung und Motorlast: Der Kern des Antriebs

Die Reibung der Magneträder wirkt sich direkt auf die Mobilität des Roboters aus und bestimmt die erforderliche Motorleistung.

Reibung und Adhäsion: Die Reibungskraft (Ffriction) hängt mit der Adhäsionskraft (Fadhesion) des Magnetrads und dem Reibungskoeffizienten (μ) zwischen den Kontaktflächen zusammen: FReibung=μ×Fadhäsion. Ein höherer Reibungskoeffizient und eine ausreichend große Adhäsionskraft sind erforderlich, um eine ausreichende Reibung für eine stabile Unterwasserbewegung zu gewährleisten, insbesondere auf geneigten oder vertikalen Flächen.

Motorleistung: Wenn das Gesamtgewicht des Roboters (einschließlich aller Lasten) beträchtlich ist oder wenn er einen großen Wasserströmungswiderstand oder Biofouling überwinden muss, ist ein leistungsstärkerer Antriebsmotor erforderlich, damit sich der Roboter effizient bewegen kann. Eine unzureichende Motorleistung kann zu langsamen Bewegungen, Schwierigkeiten beim Klettern oder sogar zur Unfähigkeit führen, sich zu bewegen.

Energieeffizienz und Wärmemanagement: Leistungsstarke Motoren bedeuten einen höheren Energieverbrauch, der entsprechende Akkus erfordert. Auch die Wärmeableitung des Motors unter Wasser muss berücksichtigt werden, um zu verhindern, dass Überhitzung die Leistung und Lebensdauer beeinträchtigt.

Andere zu berücksichtigende Faktoren

Zusätzlich zu den oben genannten Kernfaktoren sind bei der Auswahl von Magneträdern für Unterwasserroboter auch die folgenden Punkte zu berücksichtigen:

• Größe und Gewicht: Größe und Gewicht der Magneträder wirken sich auf das Gesamtdesign des Roboters, die Manövrierfähigkeit und die Leichtigkeit des Einsatzes und der Bergung aus. Ein kompaktes und leichtes Design sollte bei gleichzeitiger Erfüllung der Haftungsanforderungen Vorrang haben.
• Wartung und Lebensdauer: Berücksichtigen Sie die Wartungsfreundlichkeit und die erwartete Lebensdauer der Magneträder. Bei einigen Konstruktionen kann es einfacher sein, verschlissene Teile zu ersetzen oder eine regelmäßige Wartung durchzuführen.
• Kosten: Die Kosten sind bei jedem Projekt ein unvermeidlicher Faktor. Wählen Sie die kostengünstigste Lösung, die alle Leistungsanforderungen erfüllt.
• Anpassungsfähigkeit: Einige Spezialanwendungen können maßgeschneiderte Magnetradlösungen erfordern, wie z. B. bestimmte Größen, Haftkräfte oder die Integration anderer Funktionen (z. B. Sensoren).
• Auswirkungen der Wasserströmung: Unterwasserroboter sind häufig Wasserströmungen ausgesetzt, insbesondere bei starken Meeresströmungen oder in der Nähe von Unterwasserstrukturen. Die Haftkraft des Magnetrads und das stromlinienförmige Gesamtdesign des Roboters müssen berücksichtigen, wie sie dem Druck der Wasserströmungen wirksam widerstehen können.

Wenn Sie die oben genannten Faktoren umfassend berücksichtigen, können Sie die am besten geeigneten und zuverlässigsten Magneträder für Ihren Unterwasserroboter auswählen und so sicherstellen, dass er die verschiedenen Aufgaben in komplexen Unterwasserumgebungen effizient und sicher erledigen kann.