W AGH powstaje innowacyjny robot do prac inspekcyjnych

Sięga tam, gdzie wzrok nie sięga. A do tego potrafi dostosować się do zmieniających się warunków. W AGH powstaje rurociągowiec – mobilny robot gąsienicowy do prac inspekcyjnych. Domeną pionierskiej konstrukcji, nad którą pracuje Michał Ciszewski, doktorant z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, jest jej wszechstronność. Obecnie w instalacjach przemysłowych inne roboty stosuje się w rurociągach poziomych, a inne w rurociągach pionowych, przy czym w przypadku rurociągów pionowych na świecie istnieje niewiele tego typu rozwiązań. Prototyp powstający w AGH łączy te różne funkcje, gdyż robot potrafi poruszać się zarówno w poziomie, jak i w pionie.

Zlokalizować uszkodzenia

Głównym zadaniem robota zaprojektowanego przez Michała Ciszewskiego jest inspekcja wizyjna rurociągów, czyli sprawdzanie ich stanu technicznego. Z uwagi na małą średnicę rurociągów, dostęp do nich jest bardzo utrudniony, dlatego przy tego typu pracach wykorzystywane są roboty, które pozwalają na zbadanie stanu technicznego,  naprawę danego odcinka, czyszczenie lub usuwanie zatorów czy zanieczyszczeń. 

Pierwszym, bardzo istotnym etapem prac jest zlokalizowanie uszkodzeń, wśród których można wymienić trzy główne typy: korozja, uszkodzenia przy łączeniu segmentów rur,  oraz na rozgałęzieniach. Przykładowo w rurociągach stalowych w związku z kontaktem z substancjami organicznymi powstają np. wżery, które mogą uszkodzić całą strukturę rury i powodować wycieki. Innym problemem są z kolei odkształcenia wynikające ze zbyt dużego nacisku na rurociąg, np. kiedy znajduje się on pod drogą, której powierzchnia została uszkodzona. Inspekcja wizyjna, będąca najprostszą i najszybszą metodą, pomaga także wykryć rozszczelnienia na łączeniach bądź rozgałęzieniach, w tym np. uszkodzenia na trójnikach oraz przykanalikach.

Cel: wszechstronne zastosowanie

– Robot wyposażony jest w kamerę wizyjną. Głównym celem realizowanego projektu jest stworzenie urządzenia, które będzie w stanie dostosować się do różnego typu rurociągów i różnego typu środowiska pracy, pozwalając na inspekcję rurociągów o przekroju okrągłym, kwadratowym i o różnej średnicy, poruszającego się zarówno po płaskiej powierzchni, w ograniczonym zakresie po nierównym terenie, jak i w rurach pionowych. W ramach pracy magisterskiej wykonałem projekt mechaniki całego układu, zaprojektowałem, jak on ma działać i wykonałem dokumentację, natomiast priorytetem mojego doktoratu jest opracowanie prototypu i układu sterowania, wraz z modelowaniem matematycznym i symulacjami, tak żeby robot mógł dostosowywać się do pracy w różnego typu rurociągach – mówi Michał Ciszewski.

Roboty wizyjne stosowane są powszechnie w przemyśle, gdyż przepisy wymagają tego, aby w każdym rurociągu przeprowadzono inspekcję wizyjną, a także wykonano pomiar nachylenia. Obecnie na rynku dominują roboty kołowe (z wymiennymi kołami), które przeznaczone są do konkretnej średnicy rurociągów i mogą poruszać się jedynie w rurociągach poziomych. Warto zaznaczyć, że o ile istnieją projekty, czy roboty, które można w danym zakresie ręcznie dostosować do rurociągu, to żadna konstrukcja nie pozwala na automatyczne dostosowanie i równoczesną możliwość pracy zarówno na powierzchniach płaskich, w rurociągach poziomych jak i pionowych. Roboty stosowane w pionie poruszają się na zasadzie rozpychania gąsienic i ich docisku do ścian rurociągu (mogą być stosowane w rurociągach poziomych, ale tylko o przekroju okrągłym). Ich wadą jest to, że robot ma stały kąt pomiędzy gąsienicami czy kołami, które dociskają się do ścian rurociągu, co ogranicza zakres prac.

W Katedrze Robotyki i Mechatroniki na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki pojawiły się już projekty robota potrafiącego poruszać w rurach pionowych, natomiast konstrukcja ta była dostosowana do jednej średnicy rur, i to na dodatek takich, w których powierzchnia ścian byłaby w miarę równa, gdyż zasada jego działania opierała się na stosunkowo małej średnicy nachylonych kół, umieszczonych na rotorze. 

Innowacyjny system pozycjonowania gąsienic

– Obecnie zajmujemy się robotem gąsienicowym, w którym gąsienice są w stanie dostosować się do różnego typu powierzchni – chropowatych, bądź z różnego typu osadami lub uszkodzeniami takimi jak korozja, dlatego nie trzeba się obawiać, że urządzenie w trakcie pracy straci trakcję względem rurociągu. Konstrukcja oparta jest łącznie o osiem napędów. Dwa spośród nich to moduły gąsienicowe (to jedyna część zakupiona bezpośrednio od kanadyjskiego producenta tego typu modułów), natomiast reszta konstrukcji mechanicznej została zaprojektowana przez zespół z AGH. Pozostałe sześć napędów to serwomechanizmy, które pozwalają na ustalanie pozycji tzw. pedipulatorów, które odwzorowują działanie kończyny dolnej człowieka. W naszym robocie gąsienice można uznać za stopy, a teraz chcemy dostosować docisk stopy do ściany rurociągu i odległość od korpusu robota. Robot ma dwa niezależnie sterowane pedipulatory, a każdy z nich ustawia pozycję i orientację gąsienicy względem korpusu. Pedipulatory oparte są na zamkniętym łańcuchu kinematycznym, a każdy z nich ma trzy serwomechanizmy. Największe wyzwanie polega na tym, że łańcuch ten ma trzy napędy, ale sześć złączy obrotowych, co sprawia, że w niekonwencjonalny sposób trzeba podejść do sterowania robotem, ponieważ stosowanie typowych technik (np. dla robotów przemysłowych z otwartym łańcuchem kinematycznym) w tym przypadku nie sprawdza się. W ramach pracy doktorskiej opracowałem algorytm, który korzysta z różnych technik i pozwala na obliczenie, w jaki sposób pedipulatory mają wykonywać ruch, żeby dostosować robota do różnych średnic rur. Ponadto zajmowałem się opracowaniem dokumentacji wykonawczej, wykonaniem prototypu robota, modernizacją prototypu na podstawie wcześniejszych badań, zarówno w aspekcie konstrukcji mechanicznej, jak i układów elektronicznych i oprogramowania sterownika robota – tłumaczy doktorant.

W robocie zastosowano zminiaturyzowany układ sterownika o zaawansowanej konstrukcji, ponieważ musi obsłużyć jednocześnie aż osiem napędów, a do tego zamontowano czujnik inercyjny, kamerę CCTV z dodatkowym oświetleniem, umożliwiającą ocenę wizualną stanu technicznego rurociągu w czasie rzeczywistym, czujnik umożliwiający pomiar natężenia prądu na każdym z napędów – przy czym całość jest zamknięta w bardzo małej obudowie, zabezpieczającej przed wpływem czynników zewnętrznych, przede wszystkim cieczy, co umożliwia pracę w środowisku wodnym. Urządzenie może pracować w różnych typach rurociągach o średnicach od 210 mm (wewnętrznej) do kilkuset mm w rurach poziomych. Jeżeli chodzi o rury pionowe, to tu zakres jego pracy jest nieco mniejszy i wynosi od 225 do 270 mm, co jest związane z ograniczeniami konstrukcyjnymi. Jednak jak podkreśla twórca istnieje możliwość, aby zastosować wynalazek w rurach o większej średnicy.

Skąd wzięła się idea?

– Początkowo pomysł na skonstruowanie robota zrodził się kilka lat temu przy współpracy z Miejskim Przedsiębiorstwem Wodociągów i Kanalizacji w Krakowie oraz Politechniką Rzeszowską. W efekcie powstały dwa roboty, następnie w trakcie dalszych prac realizowanych w AGH poszliśmy o krok dalej, chcąc stworzyć konstrukcję innowacyjną. Prace te były realizowane na etapie mojej pracy magisterskiej. Moim promotorem był dr hab. inż. Tomasz Buratowski, który zachęcił mnie do poszukiwania nowych rozwiązań, dzięki którym robot miałby szersze możliwości adaptacji. Kolejne badania prowadziłem już na studiach doktoranckich pod kierunkiem dr. hab. inż. Mariusza Giergiela, prof. nadzw. – mówi Michał Ciszewski.

Mechanizm z patentem

Warto dodać, że mechanizm pedipulatora, służący do ustawiania pozycji i orientacji modułów napędowych na którym oparty jest układ ruchu robota, został opatentowany: PL 223875 B1 – „Mechanizm pedipulatora do ustawiania pozycji modułu napędowego, zwłaszcza robota mobilnego”. 

<iframe width="520" height="293" frameborder="0" src="https://www.youtube.com/embed/cBm52zjxOLk"></iframe>

Liczne symulacje

Stworzenie układu sterowania do adaptacji pozycji i orientacji układów napędowych robota oparte było również o szereg badań symulacyjnych. Na początku konieczne było opracowanie modelu matematycznego pedipulatorów. Następnie model matematyczny został zaimplementowany w środowisku MATLAB, gdzie wykonywano obliczenia kinematyki prostej, a zwłaszcza kinematyki odwrotnej, koniecznej do sterowania serwomechanizmami wraz z symulacyjną wizualizacją wyników. Wstępna weryfikacja trajektorii ruchu układów napędowych robota była przeprowadzona w środowisku symulacyjnym V-REP, gdzie model multibody robota połączono z układem sterowania opracowanym w środowisku MATLAB. Wyniki symulacji potwierdzone zostały badaniami laboratoryjnymi prototypu robota.

W najbliższych perspektywach

– Obecnie udoskonalamy prototyp, zmieniamy układ sterowania, udoskonalamy zasilanie, komunikację i układy sensoryczne, dlatego dzięki tym pracom robot będzie lepiej przystosowany do pracy w warunkach typowo przemysłowych. Odpowiadamy na pytania zainteresowanych firm oraz szukamy nowych kontaktów z potencjalnymi inwestorami, który są zainteresowani produkcją lub chcieliby użyć robota do prac inspekcyjnych. Chcemy także rozwijać projekt pod kątem naukowym i badawczym. Ponadto w przyszłości planujemy m.in. zaprojektować własne gąsienicowe moduły napędowe, a także kontynuować prace, które jeszcze bardziej zautomatyzują cały ruch robota i zadania inspekcyjne – wylicza konstruktor z AGH.

Weronika Szewczyk, Dział Informacji i Promocji