Die Zukunft: Autonome Roboterkörperpflege

Autonome Rumpfpflege Roboter-Benutzeroberfläche. Foto mit freundlicher Genehmigung von Greensea Systems

Zwei Jahre Pflege. Wöchentlich präparierte, 6 x 12 in beschichtete Paneele (oben) im Vergleich zu ungeräumten Paneelen (unten). Foto mit freundlicher Genehmigung von Greensea Systems

Putzroboter auf einem kleinen Schiff an der Pierseite, wie von einem anderen Putzfahrzeug abgebildet. Foto mit freundlicher Genehmigung von Greensea Systems

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Schiffsrumpf-Biofouling hat erhebliche Auswirkungen auf die Flottenbereitschaft, die Schiffsleistung, die Kosten und die Umwelt. Biofouling führt zu einem erhöhten hydrodynamischen Widerstand, der zu einem höheren Kraftstoffverbrauch und höheren Emissionen pro zurückgelegter Entfernung führt als ein hydraulisch glatter Rumpf. Eine Studie von Schultz et al. Die typische Verschmutzungsrate (FR) eines Schiffes der US Navy DDG-51, FR-30, erhöht den Kraftstoffverbrauch um 10,3% gegenüber einem hydraulisch glatten DDG-51. Die Ergebnisse zeigten, dass die Reduzierung dieser Fouling-Quote auf FR-20 zu Einsparungen von 340.000 USD pro Schiff führen würde. Dies ist mehr als das Doppelte, als der Rumpf bei einer Fouling-Einstufung von FR-10 gehalten wurde. Dies spart der US-Marine jährlich fast 800.000 USD pro Rumpf. Während solche Studien an kommerziellen Schiffen fast nicht existieren, sind ähnliche ökonomische Auswirkungen von Fouling sicher. In einem kürzlich zitierten Bericht wurde der EMMA MAERSK zitiert, ein 397 m langes Containerschiff, dessen geschätzte Ausgaben für Treibstoff pro Tag bei etwa 20.000 USD liegen, die durch Biofouling verloren gingen.

Die ökonomischen Auswirkungen von Fouling sind auch auf kostspielige herkömmliche Reinigungs- und Einschließungsaktivitäten zurückzuführen. Eine von der US Coast Guard im Jahr 2016 in Auftrag gegebene Studie ergab, dass die Kosten für die Entfernung von leichtem Biofouling aus dem Schiffsrumpf 0,33 USD pro ft2 (etwa 3,55 USD pro m2) betragen. Basierend auf dieser Schätzung würde die vollständige Entfernung von Biofouling von einem DDG-51 mehr als 10.000 USD kosten, während die Kosten für das Entfernen von Biofouling von einem Containerschiff der Panamax-Klasse mehr als 98.000 USD betragen würden. Diese Schätzungen beziehen sich auf traditionelle Reinigungsmethoden, bei denen die für Antifouling verwendeten ablativen Beschichtungen abgebaut werden. Dies führt dazu, dass alle paar Jahre eine Trockendockung für eine erneute Beschichtung durchgeführt wird. Das Trockendocking eines großen Schiffes kann bis zu 1 Mio. USD bis 2 Mio. USD betragen.

Die Verschmutzung hat auch erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt, von Treibhausgasemissionen, die mit erhöhten Treibstoffkosten verbunden sind, bis hin zu den Giftstoffen, die durch die Reinigung von Wasser freigesetzt werden. Viele Länder fordern nun die Eindämmung der Wasserreinigung oder das Verbot der Praxis während des Aufenthalts im Hafen. Die traditionellen, intensiven Reinigungsverfahren, die zum Reinigen verschmutzter Rümpfe verwendet werden, sind teuer, für den Betrieb ineffizient, schädigen die Rumpfbeschichtung und sind aus Umweltgründen nicht akzeptabel. Eine Alternative zum reaktionären Intensivreinigungsprozess ist die regelmäßige und gründliche Wachstumsunterbrechung auf der Schiffsrumpfschicht durch sanftes Bürsten mit kleinen Bürsten mit weichen Borsten. Dieser Vorgang, der als Rumpfpflegen bezeichnet wird, ähnelt dem täglichen Zähneputzen, um einen monatlichen Zahnarztbesuch und einen jährlichen Wurzelkanal zu vermeiden. Die von Dr. Geoffrey Swain am Zentrum für Korrosionsschutz und Biofouling-Kontrolle (FIT CCBC) des Florida Institute of Technology durchgeführte Forschung war Vorreiter bei der Methodik und Praxis der Rumpfpflege und zeigte, dass dies eine kostengünstige Methode zur Kontrolle von Biofouling ist, während weit weniger Giftstoffe freigesetzt werden ins Wasser als reinigen. Da die Rumpfpflege den Schiffsrumpf nur leicht abbürstet und die Beschichtung nicht entfernt, ist keine Einschließung erforderlich und die Lebensdauer der ursprünglichen Beschichtung wird verlängert, wodurch der Zeitraum zwischen dem kostspieligen Trockendocking verlängert wird. Außerdem wird die Rumpfpflege mit leichten Bürsten durchgeführt, die den Schiffsrumpf sehr sanft berühren. Dies ermöglicht Handbürsten, die leicht von Tauchern bedient werden können, oder sogar Bürstenwerkzeuge, die von kleinen Rumpfkriechrobotern bedient werden können. Der Mangel an schwerem Gerät zum Starten und Wiederherstellen eines Reinigungswerkzeugs trägt zusätzlich zum Kosten-Nutzen-Verhältnis bei.

Fahrzeug bei der Arbeit pflegen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Greensea Systems

Um jedoch effektiv zu sein, muss die Rumpfpflege mindestens einmal in der Woche oder länger durchgeführt werden und muss gründlich sein, ohne Lücken oder Auslassungen. (Fahren Sie mit der vorherigen Analogie des Zähneputzens fort und stellen Sie sich vor, Sie müssen nur noch ein paar Zähne putzen - ein Besuch beim Zahnarzt ist noch in Ihrer Zukunft.) Die Regelmäßigkeit und Gründlichkeitsanforderungen für die Rumpfpflege stellen die Rentabilität vor Herausforderungen. Zum Beispiel umfasst ein Schiff der DDG-51-Klasse ungefähr 22% der Flotte der US-Navy und ungefähr 22% der benetzten Rumpffläche. Einmal in der Woche die gesamte benetzte Fläche dieses Teils der Flotte der US-Navy zu putzen, ist logistisch und finanziell untragbar, ohne dass dabei ein Roboter eingesetzt wird. Selbst bei einer Roboterlösung könnte die Putzzeit bei Verwendung eines einzelnen kleinen Roboters mehr als 15 Stunden pro Schiff betragen und eine Überlappung der Putzpfade von 50% gewährleisten.

Mehrere Anstrengungen während des letzten Jahrzehnts haben dazu beigetragen, die Roboterpflegefähigkeit zu verbessern. Diese Bemühungen haben zu bewährten Werkzeugen, Putzmethoden, Roboterplattformen, Qualitätssicherungsprozessen und nicht magnetischen Befestigungsmethoden geführt, die es Robotern ermöglichen, entlang eines Schiffsrumpfs zu kriechen. Warum haben wir dann nach fast einem Jahrzehnt Forschung und nicht weniger als 15 im Handel erhältlichen "Rumpfreinigungsrobotern" immer noch keine Lösung, die wirklich bereit ist, von der Schiffszüchtergemeinschaft angenommen zu werden? Der Grund ist so alt wie die Robotik. Bis der Roboter die Aufgabe mit minimaler Bedienereingabe wie erwartet ausführen kann und die Mensch-Roboter-Beziehung optimal ist, ist ein Roboter nicht für die Aufgabe geeignet.
Ein Roboter, der eine Aufgabe ausführen kann, stützt sich auf drei Hauptaspekte: Navigation, Steuerung und Kommunikation. Navigation: Kann der Roboter genau wissen, wo er sich in der Umgebung befindet und wie er dorthin gelangt, wo er benötigt wird? Kontrolle: Kann der Roboter für die Aufgabe genau manövrieren und arbeiten? Kommunikation: Können wir dem Roboter unsere Befehle sinnvoll mitteilen und den Status des Roboters interpretieren? Wenn eine dieser Überlegungen nicht vollständig berücksichtigt wird, wird eine optimale Roboterlösung verhindert. Deshalb glauben wir, dass eine Roboterlösung für die Rumpfpflege noch nicht geliefert wurde.

Greensea Systems, Inc., ein Softwareunternehmen, das auf fortschrittliche Navigations-, Steuerungs- und Autonomielösungen für die Schiffsrobotik spezialisiert ist, hat sich 2017 mit dem Rumpfteam von FIT CCBC zusammengetan, um eine optimale Roboterlösung für die Rumpfführung zu finden. Mit der Finanzierung durch das US-amerikanische Büro für Marineforschung brachten das Team von Greensea und CCBC FIT im Jahr 2018 ein Prototyp-Robotersystem auf den Markt, mit dem sich der Schiffsrumpf mit sehr geringer Bedienereingabe autonom präparieren lässt, während die Positionierungsgenauigkeit auf dem Rumpf unter 0,15 m liegt RMS. Dieses Prototypsystem verwendete ein im Handel erhältliches ROV-System, das mit einem von Greensea entwickelten Führungs- und Steuersystem und einem von FIT CCBC entwickelten Putzwerkzeug ausgestattet war.
Begleitend zur Navigationslösung setzte Greensea seine fortschrittlichen Missionsplanungs- und Autonomie-Softwaremodule für ferngesteuerte Fahrzeuge (ROVs) ein. Diese OPENSEA-Softwaremodule stellen die Werkzeuge und Funktionen zur Verfügung, mit denen Sie eine Region angeben können, die gepflegt werden soll, die Putzabdeckung planen und eine autonome Putzoperation ausführen. Der Bediener kann als Subjekt-Experte (SME) beaufsichtigen oder das Fahrzeug alleine lassen, um die Operation ohne fremde Hilfe durchzuführen. Die Rolle der Autonomie im Roboter-Putzprozess ist für die Durchführbarkeit dieses Prozesses von entscheidender Bedeutung, da für die 100% ige Abdeckung des Schiffsrumpfes eine ausreichende Abdeckung gewährleistet ist.

Um die Navigations- und Autonomiefunktionen für den Rumpfputzroboter bereitzustellen, setzte Greensea auf OPENSEA, deren offene Architektur-Softwareplattform. Der autonome Rumpf-Putzroboter verwendet ein Trägheitsnavigationssystem und ein Mehrstrahl-Sonar, um die Position des Roboters auf dem Schiffsrumpf merkmalsbasiert anzuzeigen. Das gesamte Rumpfpflegesystem ist in einem fahrzeug-agnostischen Schleppersystem einschließlich Navigations- und Steuersystem, Autonomie, Sonar und Putzwerkzeug implementiert. Das Pflegemodell kann leicht an die meisten kommerziellen ROVs angepasst werden. Greensea kommerzialisiert das System 2019 auf einem MSS-ROV von VideoRay.

Eine intuitive, grafische Benutzeroberfläche, die von Greenseas Software für Explosive Ordnance Disposal (EOD) -Teams entwickelt wurde, stellt die Kommunikation mit dem Roboter bereit, die ein Techniker für die Planung, Ausführung und Dokumentation des Rumpfpflegeprozesses benötigt. Der Hull-Grooming-Arbeitsbereich bietet die Möglichkeit, den Putzvorgang nach Region, Sonar-Overlay zur Vermeidung von Hindernissen und Video für eine vollständige Situationserkennung zu planen. Grafische Anzeigen auf dem Bildschirm zeichnen den Fortschritt des Fahrzeugs auf dem Rumpf auf und zeigen den Putzschwaden. Über den Arbeitsbereich können Techniker außerdem Pflegepläne speichern und abrufen, Hindernisse und Hindernisse protokollieren und alle Daten für Archivierung und Wiedergabe protokollieren.
Greenseas präzise Rumpf-Relativnavigationslösung ermöglicht autonome Roboter für Rumpfanwendungen und hat die Rumpfpflege zu einer realisierbaren Alternative zur Wasserreinigung gemacht, die kostengünstig und umweltschonend ist. Greensea kommerzialisiert 2019 den autonomen Rumpf-Putzroboter sowie die Navigations- und Putztechnologie.

Fußnote: Greensea und FIT CCBC möchten sich bei Office of Naval Research und DARPA für die Entwicklungsunterstützung für den autonomen Hüllroboter sowie die funktionsbasierte Navigations- und Lokalisierungstechnologie des Navigationssystems bedanken.

Der Autor
Ben Kinnaman ist der Gründer und CEO von Greensea Systems, Inc. Er hat seine Karriere in der Schiffsindustrie verbracht und die offene Architektur-Softwareplattform OPENSEA geschaffen, mit der Greensea die Schiffsrobotik vorantreibt. [email protected]

Ben Kinnaman ist der Gründer und CEO von Greensea Systems, Inc.