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Kletterroboter sind Gegenstand aktueller Forschung
und Entwicklung. Ihre Aufgaben sind ganz allgemein der Transport
von Messeinrichtungen, Werkzeugen, Reinigungsgeräten etc. oder das Ausführen anderer
Arbeiten an Gebilden, die sich aus mehreren beliebig zueinander
geneigten, glatten und ebenen Flächen
zusammensetzen. Derartige Gebilde sind typischerweise Räume, Gebäude bzw. Gebäudeteile
wie etwa Gewächshäuser, Wintergärten und
Fassaden oder Foyers von Hochhäusern
sowie Tanks oder Reaktoren von Fernkraftwerken. Kletterroboter dienen
dabei der ferngesteuerten, semiautonomen Unterstützung von Bedienern oder der
vollautonomen Durchführung
stupider Tätigkeiten
insbesondere an größeren Gebilden
oder in schwer zugänglichen
Bereichen.
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Bei der Konzeption von Kletterrobotern
sind zwei Probleme zu lösen:
Wie kann der Roboter an beliebig geneigten, d.h. auch vertikalen
und überhängenden
Flächen,
sicheren Halt finden („Haftung")? Wie bewegt sich
der Roboter fort, und wie schafft der Roboter den Übergang
von einer Fläche
zu einer anderen, die durch Barrieren und/oder durch eine andere
Neigung von der Fläche
getrennt ist („Fortbewegung")? Letzteres betrifft
beispielsweise auch den Wand-Decken-Übergang oder den Übergang
von einer Seitenwand auf eine andere oder das Überqueren von Rahmen, kleineren
Vorsprüngen
oder Fugen und Nuten.
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Der übliche Weg, das Haftungsproblem
zu lösen,
ist der Einsatz von Saugnäpfen
[2,3] oder Ausgestaltung eines Teils des Roboters
(i. d. R. des Rumpfes) als Saugglocke [1,4]. Die
Evakuierung erfolgt aktiv durch Vakuumpumpen oder Venturi-Düsen. Leistungsfähige Vakuumpumpen
erhöhen
das Gewicht des Roboters ganz beträchtlich, während Venturi-Düsen relativ
leicht ausgeführt
werden können
(siehe Vakuumtechnik von Piab, [6]). Durch den andauernden
Luftstrom beim Evakuieren haben beide Varianten einen hohen Energieverbrauch
und sind relativ laut. Das gilt ganz besonders für größere Saugglocken, und vor allem
die Lärmbelästigung
begrenzt die Anwendbarkeit solcher Roboter in Wohnbereichen.
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Konstruktionen, bei denen der Rumpf
als Saugglocke ausgeführt
ist [1,4], sind nicht in der Lage kleinere Barrieren
zu überwinden
bzw. auf eine anders geneigte Fläche
zu wechseln, weit sich dabei ein zu großer Luftspalt unter der Maschine
bildet, der den Unterdruck sofort zusammenbrechen lässt, so dass
der Roboter unweigerlich abstürzt.
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Zum Überwinden von Barrieren und
zum Wechseln auf anders geneigte Flächen sind Konstruktionen erforderlich,
die den Roboter alternativ mit mindestens zwei Haltesystemen („Füße") an einer Fläche halten
können,
wobei die Füße zueinander
beweglich sein müssen.
Solche Roboter sind bekannt und nutzen aktiv betriebene Saugnäpfe mit
den oben beschriebenen Nachteilen [2,3,4].
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Meist wird ein Saugnapf pro Fuß verwendet, wodurch
dieser groß und
schwer wird. Die Evakuierung erfolgt relativ langsam, und es sind
große, schwere
Vakuumpumpen mit hohem Energieeinsatz nötig. Oder es werden kleine
Saugnäpfe
verwendet, die nur kleine Maschinen mit geringem Gewicht und einer
geringen Nutzlast zulassen [3]. Außerdem haben die meisten Roboter
mit Saugnäpfen
nur eine geringe Kippstabilität,
weil die Saugnäpfe
die einzigen Aufstandsflächen
des Roboters sind.
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Der Fensterputzroboter Racoon [5]
nutzt eine Mischung aus passiven und aktiven Saugnäpfen, um
sich an einer Scheibe zu bewegen. Dazu besitzt er eine Kette, die
mit passiven Saugnäpfen
bestückt
ist, um sich durch das Antreiben dieser Kette geradlinig fortzubewegen.
Bei dieser Kette werden die Saugnäpfe durch eine Vorzugslage
in Bewegungsrichtung angedrückt,
während
die Saugnäpfe auf
der anderen Seite durch das Weiterdrehen der Kette abgezogen werden.
Wegen der schlupffreien Haftung der Saugnäpfe ist ein Drehen des Roboters nicht
möglich.
Deshalb verfügt
Racoon des weiteren über
vier starr miteinander verbundene Füße, die mit aktiven Saugnäpfen bestückt sind
und ausgefahren werden, um die Kette mit den Saugnäpfen ganz
von der Scheibe zu lösen.
Sie wird dann in die neue Fortbewegungsrichtung gedreht und wieder
angedrückt. Die
Füße werden
daraufhin wieder eingezogen, um die Maschine in der neuen Richtung
weiter zu bewegen. Racoon ist ebenfalls nicht in der Lage, sich über kleine
Barrieren hinweg zu bewegen oder auf eine anders geneigte Fläche zu wechseln.
Er hat also eine stark eingeschränkte
Beweglichkeit. Außerdem
ist der mechanische Aufbau relativ komplex und schwer.
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Ein Reinigungsroboter für geneigte
und glatte Flächen,
der allein mit passiven Saugnäpfen
als Füßen ausgestattet
ist, wird in der
DE
199 O7 437 A1 vorgestellt. Die Fortbewegung erfolgt dort über die Hin-
und Hetbewegung einer Zentraleinheit in einem Halterahmen. Der Halterahmen
weist eine Mehrzahl kleinerer Saugnäpfe auf, die den Roboter hatten, während sich
die Zentraleinheit z.B. mit einem Wischerblatt über die unterliegende Scheibe
bewegt. Dann fährt
die Zentraleinheit einen größeren Mittelfuß mit Saugnapf
aus, löst
die Rahmenfüße durch Kraftaufwand
und setzt sie an anderer Stelle wieder auf. Da der beschriebene
Roboter mindestens zeitweise nur von einem Saugnapf gehalten wird,
ist das Überwinden
selbst kleinerer Hindernisse problematisch und in der Anwendung
auch nicht vorgesehen. Der Wechsel auf anders geneigte Flächen ist
autonom unmöglich. Über Gewicht
und Energiebedarf des Roboters werden keine Angaben gemacht, ebenso
wenig wie über
die maximale Neigung, die der Roboter bewältigen kann.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung,
einen Roboterfuß für Kletterroboter
anzugeben, der eine starke Haftung des Roboters gewährleistet,
ohne dass große
mechanische Kräfte
zum Ablösen
des Fußes bei
der Fortbewegung erforderlich sind.
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Die Aufgabe wird gelöst durch
einen Roboterfuß mit
den Merkmalen des 1. Anspruchs. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen
an.
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Beispielhaft wird zudem ein Roboter
beschrieben, der mit zwei erfindungsgemäßen Roboterfüßen ausgestattet
ist. Das Beispiel dient der Erläuterung,
wie der Roboter weitgehend beliebige Hindernisse überqueren
und zwischen zueinander geneigten Flächen wechseln kann. Ein solcher
Roboter ist Stand der Technik, allerdings mit aktiven Saugnäpfen als
Füßen, was
die oben genannten Nachteile mit sich bringt.
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Die Erfindung wird anhand folgender
Abbildungen erläutert.
Dabei zeigt:
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1 einen
passiven Saugnapf mit Ablöselasche
(a) und mit Hebel (b);
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2 die
Unterseite eines Roboterfußes
mit drei (a) oder vier (b) nebeneinander angeordneten Saugnäpfen;
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3 den
Prinzipaufbau eines Kletterroboters mit passiven Saugfüßen in Seitenansicht
(a) und in Draufsicht (b).
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Die Bezugszeichen bedeuten im
Einzelnen
- 1
- passiver
Saugnapf
- 2
- Roboterfußsohle
- 3
- Ablöselasche
- 4
- Hubmechanismus
- 5
- Rumpf
- 6
- Drehachse
vertikal
- 7
- Drehachse
horizontal
- 8
- Antriebsmotor
vertikal
- 9
- Antriebsmotor
horizontal
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Das Problem der Haftung bei geringem
Energieverbrauch und Eigengewicht wird mittels passiver Saugnäpfe 1 gelöst. Dabei
wird der Effekt ausgenutzt, dass die Haftkräfte nach dem Andrücken größer sind
als die Andruckkräfte,
weil für
das Andrücken
nur die Elastizität
des Saugnapfmaterials überwunden
werden muss, während
die Haftkräfte
von der wirksamen Saugnapffläche
und dem erzielten Unterdruck abhängen.
Durch kleine Leckagen kann die Haftung und Tragfähigkeit nachlassen, was aber – verglichen
mit der Aufsetzdauer eines Fußes – erst nach
einer langen Zeit erfolgt.
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Weil beim Ablösen der typisch passiven Saugnäpfe 1 normalerweise
recht große
Kräfte
nötig sind,
die den Roboter entsprechend stark mechanisch belasten, z.B. verwinden,
ist endungsgemäß die Verwendung
von passiven Saugnäpfen 1 mit
Ablöseunterstützung 4 vorgesehen.
Dies sind Saugnäpfe 2,
bei denen die Ablösekräfte dadurch
reduziert werden, dass am Saugnapf 1 eine Zuglasche 3 angebracht
ist, die zum Ablösen
hoch gezogen wird, so dass Luft unter den Saugnapf 1 strömen kann (1) und der Roboterfuß mit geringer
Energie von der Haltefläche
gelöst
werden kann.
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Diese Variante hat den Vorteil, dass
für den Andrückvorgang
keine Mechanik involviert ist, da das Andrücken allein durch den Fortbewegungsmechanismus
erfolgen kann.
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Lediglich zum Ablösen des Saugnapfes 1 ist ein
Zugmechanismus 4 vorzusehen, der die Lasche des Saugnapfes 1 zieht.
So muss nur beim Ablösen zusätzlich Energie
aufgebracht werden.
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Ebenso ist erfindungsgemäß vorgesehen, mehrere
kleinere passive Saugnäpfe
pro Fuß 2 nebeneinander – bzw. bezogen
auf eine vertikale Lauffläche übereinander – anzuordnen,
um so den wirksamen Hebel zu vergrößern und größere Kippmomente aufnehmen
zu können.
Dabei ist es sinnvoll, bevorzugt die oberen Saugnäpfe aktiv
anzudrücken, weil
die unteren Saugnäpfe
bei der Kraftverlagerung auf den gerade angedrückten Fuß automatisch passiv durch
Kippmomente auf Grund der Schwerkraft angedrückt werden. So werden die von
dem Roboter aufzubringenden Andruckkräfte effektiver genutzt, wodurch
kleinere, interne Kräfte
nötig sind.
Die passiven Saugnäpfe
mit Ablöselaschen 3 sollen
zudem so auf der Sohlenseite des i. a. runden Roboterfußes 2 nebeneinander
angeordnet sein, dass die Ablöselaschen 3 aufeinander
zu in Richtung des Fußzentrums
ausgerichtet sind. In 2 sind
Roboterfußsohlen 2 zu
sehen mit darauf befestigten Saugnäpfen 1 und Ablöselaschen 3 .
Vorteilhafterweise sind die Laschen miteinander verbunden und werden
durch einen zentral angeordneten Hubmechanismus (vorzugsweise ein
Elektromotor oder Hubmagnet) im Schaft des Fußes gemeinsam angehoben, sobald die
Steuereinheit des Roboters einen entsprechenden Befehl an den Fuß erteilt.
Auf diese Weise wird die Ablösung
des ansonsten sehr fest haftenden Fußes mit einem Minimum an Energieaufwand
erreicht.
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Drei Saugnäpfe pro Fuß garantieren für eine ausreichende
Stabilität
sowohl bei Kipp- als auch bei Schwenkbewegungen. Gegenüber vier
oder mehr Saugnäpfen
haben drei den Vorteil, dass die Zuglaschen mit kurzer Entfernung
zusammengeführt
werden können
(2a im Vergleich zu 2b) und dadurch kann der
Zugmechanismus effektiver, d.h. mit kleinerem Hub arbeiten und diese
Roboterfußausführung liefert
in der Haftstellung ein statisch bestimmtes System.
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Als vorteilhafte Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Roboterfußes 2 empfiehlt
es sich, diesen mit geeigneter Sensorik auszustatten, um Signale
für die
Steuereinheit des Roboters zu gewinnen. Vorzugsweise wird man hierfür Ultraschall- und/oder
Infrarot-Abstandsmesser
einsetzen, wobei eine Kombination beider Messverfahren hinsichtlich Genauigkeit
und Verlässlichkeit
besonders zu bevorzugen ist. Die Sensoren sollten im Wesentlichen
parallel zur Sohle des Roboterfußes i ausgerichtet sein, so
dass der Fuß 2 unmittelbar
vor dem Aufsetzen auf die Fläche
die seitliche Umgebung des Aufsetzpunktes sehen kann. Auf diese
Weise kann der Roboter eine Vorauswahl für einen hindernisfreien Haltepunkt ermitteln.
Zusätzliche
Sensoren, die direkt auf die Fläche
gerichtet sind, können
die Flächenmorphologie,
z.B. vorstehende Rahmen, vorab ergründen, um Ausweichmanöver einzuleiten.
Ebenso gut lässt
sich aber der Roboterfuß 2,
der ohnehin um mindestens zwei Achsen gegenüber dem Roboterkörper 5 verdrehbar
angeordnet ist (siehe Beispiel unten), auch über der Aufsetzstelle zunächst etwa
um 90° oder auch
fortlaufend kreisend verschwenken. Dadurch werden die eigentlich
seitwärts
blickenden Sensoren auf den Untergrund gerichtet, was zusätzliche
Sohlensensoren überflüssig macht.
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Es ist ferner vorteilhaft, einen
Berührungsschalter
(Bumper) in den Roboterfuß 2 zu
integrieren, der eine mechanisch erzwungene Verkippung des Fußes 2 gegen
seine Sollausrichtung feststellen kann. Sollte der Fuß 2 gegen
ein Hindernis stoßen, dass
die übrige
Sensorik nicht erkannt hat, so kann hierdurch eine Beschädigung vermieden
werden. Im Übrigen
ist ein solcher Berührungsschalter
auch die einfachste Form der Sensorik, mit der ein Roboter betrieben
werden könnte,
wenn man auf alle anderen Sensoren verzichten will oder muss. Das
Aufsuchen neuer Aufsetzstellen lässt
sich dann immer noch durch „blindes
Tasten" mit einem
Trial-and-Error Verfahren realisieren.
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Die folgenden Anmerkungen betreffen
die Verwendung der erfindungsgemäßen Roboterfüße an einem
Kletterroboter, wie er exemplarisch unten beschrieben wird. Die
Robotersteuerung sollte der Tatsache, dass passive Saugnäpfe benutzt
werden, wie folgt Rechnung tragen:
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Voraussetzung für die Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Roboterfußes 2 mit
passiven Saugnäpfen 1 und
intelligenter Sensorik ist natürlich, dass
die Untergrundfläche über hinreichend
glatte und staubfreie Areale verfügt. In dieser Hinsicht sind die
Anforderungen etwas höher
als bei aktiv evakuierten Saugnäpfen,
insbesondere wenn die passiven Saugnäpfe 1 für längere Zeit
haften müssen.
Das ist z.B. der Fall, wenn der Roboter an einer Stelle stehen bleiben
soll.
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Beim Betrieb eines Roboters mit passiven Saugnapf-Füßen ist
es daher vorteilhaft, auf der Stelle stehend die Füße wechselseitig
anzudrücken
(ohne sie abzulösen).
Dadurch wird im Bereich unter den Saugnäpfen die Luft jedes Mal erneut
herausgedrückt,
so dass kleine Leckagen kompensiert werden, bevor der Unterdruck
auf ein kritisches Maß gesunken
ist.
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Passive Saugnäpfe haften ebenso wenig wie aktive
auf Fugen, z.B. auf einer gefliesten Wand. Während dies bei aktiven Saugfüßen z.B.
dadurch feststellbar ist, dass sich kein ausreichender Unterdruck
beim Evakuieren einstellt, sollte man bei passiven Füßen vorzugsweise
die Haftung unmittelbar nach dem Aufsetzen durch einen Abtupftest überprüfen. Dazu
wird nach dem Andrücken
eines Fußes
i durch kurzzeitiges Ziehen versucht, den Fuß abzuheben, ohne den Ablösemechanismus
zu betätigen. Gelingt
dies nicht mit einem vorab eingestellten Kraftaufwand, so gilt der
Fuß als
haftsicher.
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Beispiel
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Im Folgenden wird eine der einfachsten denkbaren
Ausführungen
eines Kletterroboters mit zwei erfindungsgemäßen Roboterfüßen vorgestellt, wobei
diese zueinander in mehreren Freiheitsgraden beweglich sind.
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Die in 3 gezeigte
Konstruktion verfügt über zwei
Füße 2 mit
passiven Saugnäpfen 1,
die jeweils einzeln den gesamten Roboter in jeder beliebigen Stellung
halten können
und jeweils die zwei Freiheitsgrade Kippen und Schwenken relativ
zum Rumpf aufweisen. Dabei steht die Drehachse 6 zum Schwenken
eines Fußes 2 mittig
und senkrecht zum Fuß,
während
die Drehachse 7 zum Kippen eines Fußes 2 oberhalb des
Fußes
liegt. So kann sich der Roboter auf mehrere Arten fortbewegen:
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Überschlag:
Nachdem ein Fuß 2 abgelöst wurde,
kippt der Roboter in Rumpfrichtung über den haftenden Fuß und kippt
den schwingenden Fuß während der Überschlagsbewegung
so, dass er wieder nahezu waagerecht aufsetzt und wie oben beschrieben
angedrückt
wird. Der vormals haftende Fuß wird
abgelöst
und der Rumpf 5 erneut übergeschlagen
usw. Bei einer Überschlagsbewegung
kann natürlich
auch gleichzeitig eine Schwenkbewegung (des haftenden Fußes) durchgeführt werden,
um den Roboter in eine andere Richtung auszurichten.
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Seitenschlag: Nach dem Ablösen und
leichten Anheben eines Fußes 2 , wird der Rumpf 5 seitlich um
den haftenden Fuß geschwenkt,
bis der Roboter in die Richtung zeigt, in der er sich weiter fortbewegen
soll. Dann wird der schwingende Fuß angedrückt und der vormals haftende
Fuß nach
dem Ablösen
geschwenkt.
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Übergang
auf eine anders geneigte Fläche (z.B.
Wand-Decke-Übergang):
Der Roboter bewegt sich auf eine der genannten Weisen bis an die
Knickstelle zwischen den beteiligten Flächen. Die Bewegung erfolgt
nun durch Überlagerung
der Kipp- und Schwenkbewegung beider Füße so, dass der schwingende
Fuß, der
den Untergrund messtechnisch abscannt, wieder möglichst waagerecht auf die neu
zu betretende Fläche
aufsetzt und angedrückt werden
kann.
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Überwinden
von Barrieren: Das Überwinden von
Barrieren erfolgt nahezu analog zum Übergang auf anders geneigte
Flächen.
Hierbei wird der Roboter zunächst
analog zum Übergang
auf eine anders geneigte Fläche
an die Barriere herangeführt
und überwindet
diese in einem Schritt. Überstehende Barrieren
wie Rahmen etc. werden per Überschlag überwunden,
während
Nuten o. ä.
auch per Seitenschlag überwunden
werden können.
Dabei müssen die
Flächen
auf beiden Seiten der Barriere nicht notwendigerweise in einer Ebene
liegen. Der Abstand der Füße 2 muss
mindestens so groß sein
wie die größte Breite
einer Barriere und der Abstand zwischen Rumpf 5 und Untergrund
muss größer sein
als die größte Höhe einer
zu überwindenden
Barriere.
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Es empfiehlt sich für alle Bewegungsarten, dass
der jeweils schwingende Fuß frei
elastisch beweglich ist, damit er sich beim Aufsetzen passiv auf die
Neigung der zu betretenden Fläche
ausrichten kann, bevor er fixiert wird. Außerdem ist es sinnvoll, ein Überstrecken
der Füße konstruktiv
vorzusehen, damit der Roboter auch auf abkippende Flächen oder Absatzerhöhungen steigen
kann.
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Quellenverzeichnis
-
- [1] K. Berns, C. Hillenbrand: A climbing robot for Inspection
Tasks in Civil Engineering.
- Proc. 1st Int. Workshop on Advances
in Service Robotics, Bardolino, Italy, 2003, pp.34-40
- [2] F. Cepolina, R.C. Michelini, R.P.
Razzoli, M. Zoppi: Gecko, a Climbing Robot for Walls Cleaning. Proc.
1st Int. Workshop on Advances in Service
Robotics, Bardolino, Italy, 2003, pp.41–45
- [3] R. Lal Tummala, R. Mukherjee et. al.: Climbing the Wall.
IEEE Robotics & Automation
Magazine. Dec. 2002, pp.10–19
- [4] D. Longo, G. Muscato: Neural control of the Climbing Robot
Alicia. Proc. 1st Int. Workshop on Advances
in Service Robotics, Bardolino, Italy, 2003 pp.29–33
- [5] R.D. Schraft, F. Simons: Facade Climbers for Cleaning and
Inspection – Potentials
for the Development of a Unit Assemby System. Proc. 1st Int.
Workshop on Advances in Service Robotics, Bardolino, Italy, 2003,
pp.46–51
- [6] http://www.piab.com/de/Products/Pumps/Introduction.asp