IT201900016133A1 - ROBOTIC SYSTEM AND PROCEDURE FOR MEASURING THE STATE OF CORROSION OF SUSPENDED PIPES - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo Attached to a patent application for INDUSTRIAL INVENTION having the title
“SISTEMA ROBOTICO E PROCEDIMENTO PER LA MISURAZIONE DELLO STATO DI CORROSIONE DI TUBAZIONI SOSPESE” "ROBOTIC SYSTEM AND PROCEDURE FOR MEASURING THE STATE OF CORROSION OF SUSPENDED PIPES"
L’invenzione riguarda un sistema robotico per la misurazione dello stato di corrosione di tubazioni sospese. Viene anche descritto un relativo procedimento. Normalmente lo stato di corrosione delle tubazioni viene valutato con strumenti di misura dello spessore delle stesse. The invention concerns a robotic system for measuring the corrosion state of suspended pipes. A related procedure is also described. Normally the state of corrosion of the pipes is evaluated with instruments for measuring their thickness.
Essa è oggetto della presente domanda di brevetto che ha ricevuto un finanziamento dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea secondo il Grant Agreement n.779411. It is the subject of this patent application which has received funding from the Horizon 2020 research and innovation program of the European Union according to Grant Agreement n.779411.
US 5698854 descrive un apparecchio atto a ispezionare e a misurare lo spessore di parete di un tratto di tubo. L’apparecchio include un carrello atto a essere montato mobile lungo il tubo. Una sorgente emette un fascio di energia penetrante e una schiera di rivelatori ricevono e misurano l’intensità del fascio di energia. La schiera di rivelatori è montata sul carrello opposta alla sorgente, in maniera che il tubo passi fra l’una e l’altra. L’apparecchio avanza nella direzione longitudinale del tubo. L’apparecchio secondo US 5698854 è capace di muoversi sulla superficie esterna di tubi nei loro tratti rettilinei, ma non sono in grado spostarsi in tratti curvi. Inoltre, deve essere collocato manualmente sul tubo prima di potersi spostare su di esso. US 5698854 describes an apparatus adapted to inspect and measure the wall thickness of a pipe section. The device includes a trolley designed to be mobile mounted along the tube. A source emits a penetrating energy beam and an array of detectors receive and measure the intensity of the energy beam. The array of detectors is mounted on the trolley opposite the source, so that the tube passes between one and the other. The device advances in the longitudinal direction of the tube. The apparatus according to US 5698854 is capable of moving on the external surface of pipes in their straight sections, but they are not able to move in curved sections. In addition, it must be manually placed on the pipe before it can be moved on it.
US 2011/0168900 A1 descrive un’apparecchiatura per l’ispezione di tubi comprendente un carrello configurato per spostarsi lungo un tubo, una sorgente di radiazione ionizzante e un rivelatore di radiazione trasportato dal carrello. La radiazione attraversa un supporto del tubo e la parete dello stesso. Anche l’apparecchiatura secondo US 2011/0168900 A1 presenta sostanzialmente gli stessi inconvenienti dell’apparecchio secondo US 5698854. US 2019/0086365 A1 descrive un drone per ispezionare tubazioni isolate soggette alla corrosione. Il drone comprende un’unità di comando avente una memoria per memorizzare istruzioni per il funzionamento del drone ed un processore configurato mediante l’esecuzione delle istruzioni, un alimentatore per il funzionamento di tutti i componenti del veicolo, un modulo per rivelare onde ad infrarossi emesse dalla tubazione isolata in uno o più punti e un modulo per indurre una corrente parassita in una parete interna della tubazione isolata e monitorare il decadimento dell’intensità della corrente parassita nel tempo, e quindi l’entità della corrosione. Il drone ha inoltre un meccanismo di serraggio per attaccare selettivamente il drone alla tubazione isolata. US 2011/0168900 A1 describes a tube inspection equipment comprising a trolley configured to move along a tube, a source of ionizing radiation and a radiation detector carried by the trolley. The radiation passes through a support of the tube and the wall of the same. The equipment according to US 2011/0168900 A1 also has substantially the same drawbacks as the equipment according to US 5698854. US 2019/0086365 A1 describes a drone for inspecting insulated pipes subject to corrosion. The drone comprises a control unit having a memory to store instructions for the operation of the drone and a processor configured by executing the instructions, a power supply for the operation of all the vehicle components, a module for detecting emitted infrared waves from the insulated pipe in one or more points and a module to induce an eddy current in an internal wall of the insulated pipe and monitor the decay of the eddy current intensity over time, and therefore the extent of corrosion. The drone also has a clamping mechanism to selectively attach the drone to the insulated pipeline.
Il drone secondo US 2019/0086365 A1 non deve essere collocato manualmente sulla tubazione, ma non è in grado di spostarsi in modo continuo e preciso lungo di essa. The drone according to US 2019/0086365 A1 does not have to be placed manually on the pipeline, but is not able to move continuously and precisely along it.
La domanda di brevetto IT102019000006875 dello stesso richiedente divulga un veicolo capace di spostarsi sia su di una tubazione rettilinea, sia su di una tubazione curva, in quanto ha una struttura articolata dotata di ruote. In particolare, il veicolo ha un corpo con una parte centrale, una parte terminale anteriore ed una parte terminale posteriore; un elemento di attacco anteriore e un elemento di attacco posteriore sono montati girevoli mediante un giunto rotoidale sulle rispettive parti terminali anteriore e posteriore del corpo in maniera da poter ruotare intorno ad un asse perpendicolare all’asse della tubazione; un ponte anteriore ed un ponte posteriore dotati di ruote sono fissati rispettivamente all’elemento di attacco anteriore e all’elemento di attacco posteriore. Sul corpo del veicolo sono previsti elementi di collegamento con un drone atto a sollevare e posizionare il veicolo sulla superficie esterna della tubazione. Sullo stesso corpo è montato un braccio robotico per sostenere utensili. Patent application IT102019000006875 by the same applicant discloses a vehicle capable of moving both on a straight pipe and on a curved pipe, as it has an articulated structure equipped with wheels. In particular, the vehicle has a body with a central part, a front end part and a rear end part; a front attachment element and a rear attachment element are rotatably mounted by means of a rotational joint on the respective front and rear end parts of the body so that they can rotate around an axis perpendicular to the axis of the pipeline; a front bridge and a rear bridge equipped with wheels are respectively fixed to the front attachment element and to the rear attachment element. On the body of the vehicle there are elements for connection with a drone able to lift and position the vehicle on the external surface of the pipeline. A robotic arm is mounted on the same body to support tools.
La presente invenzione mira a creare un sistema robotico per la misurazione dello stato di corrosione di tubazioni sospese. The present invention aims to create a robotic system for measuring the corrosion state of suspended pipes.
Uno scopo dell’invenzione è quello di effettuare misure di spessore di tubazioni massimizzando il tempo operativo e quindi riducendo il tempo in cui il sistema robotico è in volo. One purpose of the invention is to carry out thickness measurements of pipes by maximizing the operating time and therefore reducing the time in which the robotic system is in flight.
Un altro scopo dell’invenzione è quello di ridurre la necessità di decollo e riatterraggio per spostare il sistema robotico in differenti zone della tubazione. Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di consentire misurazioni continue della tubazione in esame. Another purpose of the invention is to reduce the need for take-off and re-landing to move the robotic system to different areas of the pipeline. A further purpose of the invention is to allow continuous measurements of the pipeline under examination.
Ancora un altro scopo dell’invenzione è quello di consentire misurazioni su tubazioni di diverso diametro, con un andamento qualsiasi rispetto a quello orizzontale diritto. Yet another purpose of the invention is to allow measurements on pipes of different diameters, with any trend with respect to the straight horizontal one.
Inoltre, uno scopo dell’invenzione è quello di permettere la misurazione dello spessore in tubazioni affiancate a quella su cui si muove il sistema robotico. Gli scopi sopra accennati sono raggiunti dalla presente invenzione, un cui primo aspetto è quello di fornire un sistema robotico comprendente un veicolo, un drone, un braccio robotico e uno strumento di misura come definito nelle allegate rivendicazioni 11. In un secondo aspetto l’invenzione fornisce un procedimento per la misurazione dello spessore di tubazioni. Furthermore, an aim of the invention is to allow the measurement of the thickness in pipes alongside the one on which the robotic system moves. The objects mentioned above are achieved by the present invention, a first aspect of which is to provide a robotic system comprising a vehicle, a drone, a robotic arm and a measuring instrument as defined in the attached claims 11. In a second aspect, the invention provides a method for measuring the thickness of pipes.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di realizzazione del veicolo mobile sulla superficie esterna di una tubazione secondo l’invenzione, illustrato a titolo di esempio indicativo e non limitativo negli uniti disegni in cui: Further features and advantages of the invention will become clearer from the description of embodiments of the mobile vehicle on the external surface of a pipe according to the invention, illustrated by way of indicative and non-limiting example in the accompanying drawings in which:
- Figura 1 è una vista laterale complessiva in esploso del sistema robotico secondo una prima forma di realizzazione dell’invenzione; - Figure 1 is an exploded overall side view of the robotic system according to a first embodiment of the invention;
- Figura 2 è una vista prospettica parzialmente esplosa del veicolo del sistema robotico della figura 1; Figure 2 is a partially exploded perspective view of the vehicle of the robotic system of Figure 1;
- Figura 3 è una vista prospettica di una prima forma di realizzazione di braccio robotico e di una prima variante di strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione, mostrante i gradi di libertà del sistema robotico; - Figure 3 is a perspective view of a first embodiment of a robotic arm and of a first variant of the thickness measuring instrument according to the invention, showing the degrees of freedom of the robotic system;
- Figure 4a, b, c, d, e, f sono sei viste prospettiche schematiche che mostrano un braccio robotico insieme ad un prima variante di strumento di misura in un tratto di tubazione a T; - Figures 4a, b, c, d, e, f are six schematic perspective views showing a robotic arm together with a first variant of measuring instrument in a T-shaped pipe section;
- Figure 5 e 6 sono rispettivamente una vista laterale e una vista prospettica in esploso della prima forma di realizzazione di braccio robotico e di una seconda variante di strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione; - Figura 7 è una vista prospettica della prima forma di realizzazione di braccio robotico e della seconda variante di strumento di misura dello spessore, mostrante i gradi di libertà del sistema robotico; - Figures 5 and 6 are respectively a side view and an exploded perspective view of the first embodiment of robotic arm and of a second variant of thickness measuring instrument according to the invention; Figure 7 is a perspective view of the first embodiment of robotic arm and of the second variant of thickness measuring instrument, showing the degrees of freedom of the robotic system;
- Figure 8 e 9 sono una vista frontale ed una vista prospettica della seconda variante di strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione; - Figures 8 and 9 are a front view and a perspective view of the second variant of the thickness measuring instrument according to the invention;
- Figura 10 è una vista prospettica esplosa della seconda variante di strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione; - Figure 10 is an exploded perspective view of the second variant of the thickness measuring instrument according to the invention;
- Figura 11 è un particolare ingrandito della figura 10; - Figure 11 is an enlarged detail of Figure 10;
- Figura 12 è un particolare ingrandito di una terza variante di strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione; - Figure 12 is an enlarged detail of a third variant of the thickness measuring instrument according to the invention;
- Figura 13 è una sezione trasversale di una quarta variante di strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione su di una tubazione; - Figure 13 is a cross section of a fourth variant of the thickness measuring instrument according to the invention on a pipe;
- Figura 14 è una sezione trasversale di una quinta variante di strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione su di una tubazione; - Figure 14 is a cross section of a fifth variant of the thickness measuring instrument according to the invention on a pipe;
- Figura 15 è una vista prospettica della quinta variante di strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione su due tubazioni di diverso diametro; - Figure 16 a 20 sono viste prospettiche schematiche di un braccio robotico, simile a quello della prima forma di realizzazione unito al veicolo collegato al drone e portante la seconda variante di strumento di misura dello spessore, in varie situazioni in cui si può venire a trovare il sistema robotico; - Figure 15 is a perspective view of the fifth variant of the thickness measuring instrument according to the invention on two pipes of different diameters; - Figures 16 to 20 are schematic perspective views of a robotic arm, similar to that of the first embodiment joined to the vehicle connected to the drone and carrying the second variant of thickness measuring instrument, in various situations in which it can be found the robotic system;
- Figure 21 e 22 sono rispettivamente una vista prospettica e una vista prospettica in esploso di una seconda forma di realizzazione di braccio robotico con la seconda variante di strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione; - Figures 21 and 22 are respectively a perspective view and an exploded perspective view of a second embodiment of a robotic arm with the second variant of thickness measuring instrument according to the invention;
- Figure 23 a 26 sono viste laterali del sistema robotico comprendente la seconda forma di realizzazione di braccio robotico e la seconda variante di strumento di misura dello spessore in tratti diversi di tubazione; - Figures 23 to 26 are side views of the robotic system comprising the second embodiment of the robotic arm and the second variant of the instrument for measuring the thickness in different sections of the pipe;
- Figure 27 è una vista in pianta dall’alto del sistema robotico comprendente la seconda forma di realizzazione di braccio robotico e la seconda variante di strumento di misura dello spessore in un tratto curvo di tubazione; - Figure 27 is a top plan view of the robotic system comprising the second embodiment of the robotic arm and the second variant of the thickness measuring instrument in a curved section of pipe;
- Figura 28 è una vista prospettica della prima forma di realizzazione di braccio robotico unito ad un drone a sei eliche e della seconda variante di strumento di misura dello spessore; e - Figure 28 is a perspective view of the first embodiment of a robotic arm joined to a six-propeller drone and of the second variant of thickness measuring instrument; And
- Figura 29 è un quadro schematico di parti componenti del sistema robotico secondo l’invenzione. - Figure 29 is a schematic picture of component parts of the robotic system according to the invention.
Si faccia inizialmente riferimento alla figura 1, che è una vista laterale complessiva in esploso del sistema robotico comprendente un veicolo 1, un drone 2, un braccio robotico 3 secondo una prima forma di realizzazione. Il braccio robotico 3 porta un generico utensile 4 contenente uno o più sensori di spessore. Reference is initially made to figure 1, which is an overall exploded side view of the robotic system comprising a vehicle 1, a drone 2, a robotic arm 3 according to a first embodiment. The robotic arm 3 carries a generic tool 4 containing one or more thickness sensors.
Con riferimento alla figura 2, che è una vista prospettica parzialmente esplosa del veicolo 1 del sistema robotico della figura 1, è mostrato che il veicolo 1 ha una struttura che comprende un corpo 200, un ponte anteriore 300 e un ponte posteriore 400. With reference to Figure 2, which is a partially exploded perspective view of the vehicle 1 of the robotic system of Figure 1, it is shown that the vehicle 1 has a structure comprising a body 200, a front axle 300 and a rear axle 400.
Il corpo 200 ha una parte centrale, una parte terminale anteriore ed una parte terminale posteriore, entrambe assottigliate. Alla parte terminale anteriore è montato girevole un elemento di attacco anteriore 800 mentre alla parte terminale posteriore è montato girevole un elemento di attacco posteriore 900. Il corpo 2 ha due piastre di chiusura superiore e inferiore, che delimitano sia la parte centrale del corpo 2, sia le sue parti terminali anteriore e posteriore. L’elemento di attacco anteriore 800 e l’elemento di attacco posteriore 900 sono conformati identicamente simmetrici con una parte cilindrica, che è atta a ricevere un giunto rotoidale. Gli elementi di attacco anteriore 800 e posteriore 900 ricevono, nelle loro cavità cilindriche, le estremità di longheroni tubolari anteriori 390 e posteriori 401 di collegamento e irrigidimento, che consentono l’assemblaggio del ponte anteriore 300 e posteriore 400, rispettivamente, al corpo 200 del veicolo 1. I longheroni tubolari 390, 401 di collegamento e irrigidimento sono paralleli all’asse della tubazione su cui si sposta il veicolo e sono vincolati passanti nel ponte anteriore 300 e, rispettivamente, nel ponte posteriore 400, per essere inseriti nelle rispettive cavità cilindriche degli elementi di attacco anteriore 800 e posteriore 900. The body 200 has a central part, a front end part and a rear end part, both thinned. At the front end a front attachment element 800 is pivotally mounted while at the rear end a rear attachment element 900 is pivotally mounted. The body 2 has two upper and lower closing plates, which delimit both the central part of the body 2, both its front and rear end parts. The front attachment element 800 and the rear attachment element 900 are shaped identically symmetrical with a cylindrical part, which is adapted to receive a rotational joint. The front 800 and rear 900 attachment elements receive, in their cylindrical cavities, the ends of tubular longitudinal members 390 and rear 401 for connection and stiffening, which allow the assembly of the front axle 300 and rear 400, respectively, to the body 200 of the vehicle 1. The tubular longitudinal members 390, 401 for connection and stiffening are parallel to the axis of the pipeline on which the vehicle moves and are constrained through the front deck 300 and, respectively, the rear deck 400, to be inserted in the respective cylindrical cavities of the front 800 and rear 900 attachment elements.
Sul ponte anteriore 300 è fissata una piattaforma di supporto 520, alla quale anteriormente è fissata la chiusura frontale 430 del veicolo 1 dopo l’inserimento dei longheroni tubolari 390 che sono fissati alle loro estremità nelle cavità cilindriche dell’elemento di attacco anteriore 800 e della chiusura frontale 430. A support platform 520 is fixed on the front axle 300, to which the front closure 430 of the vehicle 1 is fixed at the front after the insertion of the tubular side members 390 which are fixed at their ends in the cylindrical cavities of the front attachment element 800 and of the front closure 430.
Il veicolo 1 è dotato di mezzi per il suo avanzamento controllato su di una tubazione. Una descrizione più dettagliata del veicolo 1 è nella sopra citata domanda di brevetto IT102019000006875, alla quale si rimanda per approfondimenti. The vehicle 1 is equipped with means for its controlled advancement on a pipe. A more detailed description of the vehicle 1 is in the aforementioned patent application IT102019000006875, to which reference should be made for further information.
Come sopra detto, il veicolo 1 è combinato con il drone 2 e il braccio robotico 3. Il drone 2 è collegato con il corpo 200 del veicolo 1 mediante elementi di collegamento 380, a titolo di esempio. As stated above, the vehicle 1 is combined with the drone 2 and the robotic arm 3. The drone 2 is connected to the body 200 of the vehicle 1 by means of connecting elements 380, by way of example.
Il braccio robotico 3 è mostrato in maggior dettaglio in una sua prima forma di realizzazione nella vista prospettica della figura 3 con una prima variante 5 di strumento di misura dello spessore. In essa sono indicati con j1, j2, j3, j4, j5, j6 gli assi di rotazione del braccio robotico o suoi gradi di libertà. The robotic arm 3 is shown in greater detail in a first embodiment thereof in the perspective view of Figure 3 with a first variant 5 of a thickness measuring instrument. It indicates with j1, j2, j3, j4, j5, j6 the rotation axes of the robotic arm or its degrees of freedom.
Le figure 4a, b, c, d, e, f sono sei viste prospettiche schematiche che mostrano il braccio robotico della figura 3 insieme alla prima variante di strumento di misura in un tratto di tubazione a T. Figures 4a, b, c, d, e, f are six schematic perspective views showing the robotic arm of Figure 3 together with the first variant of measuring instrument in a T-shaped pipe section.
La prima variante 5 dello strumento di misura dello spessore comprende una struttura che si estende per un quarto di circonferenza ed è particolarmente utile per la misurazione di parti di tubazioni con conformazione a T, come mostrato nelle viste prospettiche esemplificative delle figure 4a a 4f. La struttura può ruotare rispetto ad un giunto posto all’estremo del quarto di circonferenza opposto rispetto a quello del sensore. Questo moto è attuato da un servomotore rotativo 26. Questa soluzione è complessa da controllare per mantenere il contatto tra sensore e tubazione in quanto queste forze devono essere applicate usando la cinematica del braccio e non sono forze interne. Tuttavia, questa soluzione è l’unica che permette la misura di giunzioni delle tubazioni a T. The first variant 5 of the thickness measuring instrument comprises a structure that extends for a quarter of a circumference and is particularly useful for measuring portions of pipes with a T-shape, as shown in the exemplary perspective views of Figures 4a to 4f. The structure can rotate with respect to a joint placed at the end of the quarter of a circumference opposite to that of the sensor. This motion is actuated by a rotary servomotor 26. This solution is complex to control in order to maintain contact between the sensor and the pipe as these forces must be applied using the arm kinematics and are not internal forces. However, this solution is the only one that allows the measurement of T-pipe joints.
La prima forma di realizzazione del braccio robotico 3 è mostrata con una seconda variante 6 di strumento di misura dello spessore, in vista laterale nella figura 5, in vista prospettica esplosa nella figura 6 e in vista prospettica nella figura 7 mostrante i gradi di libertà. The first embodiment of the robotic arm 3 is shown with a second variant 6 of thickness measuring instrument, in a side view in Figure 5, in an exploded perspective view in Figure 6 and in a perspective view in Figure 7 showing the degrees of freedom.
In esse sono indicati con 11 una base del braccio robotico 3, con 12 un primo attuatore secondo l’asse j1, con 13 un cuscinetto assiale, con 14 un mezzo di trasmissione del moto del primo attuatore 12, mostrato come un ingranaggio (ma potrebbe essere anche a cinghia o trasmissione diretta), con 15 un secondo attuatore secondo l’asse j2, con 16 un terzo attuatore secondo l’asse j3 mediante parallelogramma articolato 20, con 17 una struttura portante del braccio robotico 3, con 18 molle di contrasto, con 19 un cuscinetto radiale, con 23 un quarto attuatore secondo l’asse j4, con 24 un quinto attuatore secondo l’asse j5. Un azionatore a ingranaggio e cremagliera permette la rotazione della seconda variante 6 di strumento di misura intorno all’asse j6, parallelo all’asse del tubo, anzi sostanzialmente coincidente con esso. In them, 11 indicates a base of the robotic arm 3, 12 a first actuator along the axis j1, 13 an axial bearing, 14 a means for transmitting the motion of the first actuator 12, shown as a gear (but it could also with belt or direct transmission), with 15 a second actuator according to axis j2, with 16 a third actuator according to axis j3 by means of an articulated parallelogram 20, with 17 a supporting structure of the robotic arm 3, with 18 contrast springs , with 19 a radial bearing, with 23 a fourth actuator along the axis j4, with 24 a fifth actuator along the axis j5. A gear and rack actuator allows the rotation of the second variant 6 of the measuring instrument around the axis j6, parallel to the axis of the tube, indeed substantially coinciding with it.
Il parallelogramma articolato 20 (mostrato solo parzialmente nella figura 3), comandato dal terzo attuatore 16, comprende una coppia di aste, indicate genericamente con 21, e una coppia di bielle, indicate genericamente con 22. Il collegamento fra l’asse j3 e l’asse j4 è realizzato mediante una barra cilindrica 25. Si comprende che sono così ottenuti sei gradi di libertà per il braccio robotico, anche per la seconda variante 6 di strumento di misura. La seconda variante 6 dello strumento di misura dello spessore si estende per mezza circonferenza ed è meglio mostrata nelle figure 8, 9 e 10, che sono una vista frontale, una vista prospettica e una vista prospettica in esploso della seconda variante 6. Questa comprende una parte strutturale, messa in movimento dall’azionatore a ingranaggio e cremagliera mostrato in dettaglio nella figura 10. La parte strutturale contiene al suo interno i sensori ad ultrasuoni UT di spessore. The articulated parallelogram 20 (shown only partially in Figure 3), controlled by the third actuator 16, comprises a pair of rods, generically indicated with 21, and a pair of connecting rods, generally indicated with 22. The connection between the axis j3 and l The axis j4 is made by means of a cylindrical bar 25. It is understood that six degrees of freedom are thus obtained for the robotic arm, also for the second variant 6 of the measuring instrument. The second variant 6 of the thickness measuring instrument extends for half a circumference and is better shown in figures 8, 9 and 10, which are a front view, a perspective view and an exploded perspective view of the second variant 6. This includes a structural part, set in motion by the gear and rack actuator shown in detail in figure 10. The structural part contains within it the ultrasonic UT thickness sensors.
I sensori sono in numero di due e contrapposti. L’azionatore a ingranaggio e cremagliera è realizzato con un carrello fissato all’attuatore 24 e permette al braccio robotico di posizionare la seconda variante 6 di strumento di misura in differenti punti sulla circonferenza della tubazione stessa. Due forme realizzative sono proposte per questo strumento. The sensors are two in number and opposed. The gear and rack actuator is made with a carriage fixed to the actuator 24 and allows the robotic arm to position the second variant 6 of the measuring instrument at different points on the circumference of the pipe itself. Two embodiments are proposed for this tool.
In dettaglio, lo strumento di misura ha una struttura semicircolare composta da una piastra circonferenziale 33, dotata di asole laterali 52 e di una successione di fori 40, e da una coppia di piastre frontali 34 collegate mediante uncini 48 alla piastra circonferenziale 33 nelle sue asole laterali 52. Le piastre sono preferibilmente in fibra di carbonio. In luogo degli incastri tramite gli uncini 48 e le asole laterali 52, le parti strutturali possono essere unite tra loro anche con altri mezzi. La struttura semicircolare, rinforzata al suo interno da una lastra sfinestrata 35, è mossa mediante l’azionatore a ingranaggio e cremagliera, che è sostanzialmente un carrello 36, dotato di cuscinetti cilindrici 38, tenuto fermo dal braccio robotico 3 e portante un ingranaggio 39. L’ingranaggio 39 si impegna con la successione di fori 40, che definiscono la cremagliera, per permettere il moto circonferenziale della seconda variante 6 di strumento di misura. L’ingranaggio 39 è mosso da un servo-attuatore 37 che permette il moto descritto. Una coppia di distanziali 41 è montata sulla seconda variante 6 di strumento di misura che entra in contatto con la tubazione da misurare per mantenere lo strumento di misura dello spessore alla giusta distanza dalla tubazione stessa ed evitare carico sugli attuatori del braccio durante la misura. Ai due estremi della struttura semicircolare sono posti due sensori di spessore 31, individualmente montati su di un supporto ad U 32 mobile su di una guida lineare 45, in grado di permettere un moto dei sensori stessi in direzione normale alla superfice cilindrica della tubazione. Come mostrato nel particolare ingrandito della figura 11, sono previste pulegge 44 per consentire lo scorrimento dei tendini 43. Il moto dei sensori 31 è attuato con molle 47, montate coassiali ad alberi 46 e ritenute da un tendine 43 attuato da un unico attuatore lineare 42 usato per ritrarre i due sensori di spessore 31. In detail, the measuring instrument has a semicircular structure composed of a circumferential plate 33, equipped with lateral slots 52 and a succession of holes 40, and a pair of front plates 34 connected by means of hooks 48 to the circumferential plate 33 in its slots side 52. The plates are preferably made of carbon fiber. Instead of the joints by means of the hooks 48 and the lateral slots 52, the structural parts can also be joined together by other means. The semicircular structure, reinforced inside by a slotted plate 35, is moved by means of the gear and rack actuator, which is substantially a carriage 36, equipped with cylindrical bearings 38, held still by the robotic arm 3 and carrying a gear 39. The gear 39 engages with the succession of holes 40, which define the rack, to allow the circumferential motion of the second variant 6 of the measuring instrument. The gear 39 is moved by a servo-actuator 37 which allows the motion described. A pair of spacers 41 is mounted on the second variant 6 of the measuring instrument which comes into contact with the pipe to be measured to keep the thickness measuring instrument at the right distance from the pipe itself and to avoid load on the arm actuators during the measurement. At the two ends of the semicircular structure there are two thickness sensors 31, individually mounted on a U-shaped support 32 movable on a linear guide 45, capable of allowing the sensors to move in a direction normal to the cylindrical surface of the pipe. As shown in the enlarged detail of figure 11, pulleys 44 are provided to allow the sliding of the tendons 43. The motion of the sensors 31 is actuated with springs 47, mounted coaxial to shafts 46 and held by a tendon 43 actuated by a single linear actuator 42 used to retract the two thickness sensors 31.
In vicinanza di ogni sensore a rullo 31 di spessore, sono montati una videocamera 49 ad alta risoluzione per ispezione durante la misura ed una coppia di sensori laser di distanza 50, utilizzati per il centramento dello strumento di misura dello spessore rispetto alla tubazione da misurare e la movimentazione autonoma in caso di curve. In the vicinity of each thickness roller sensor 31, a high resolution video camera 49 for inspection during measurement and a pair of laser distance sensors 50 are mounted, used for centering the thickness measuring instrument with respect to the pipe to be measured and autonomous handling in case of curves.
Grazie alla struttura dello strumento di misura con due sensori opposti, l’applicazione della forza è facilitata in quanto sono generate solo forze interne allo strumento di misura, e ciò semplifica notevolmente il controllo del braccio robotico e garantisce una misurazione più precisa. Thanks to the structure of the measuring instrument with two opposite sensors, the application of force is facilitated as only internal forces are generated in the measuring instrument, and this greatly simplifies the control of the robotic arm and guarantees a more precise measurement.
Almeno due sensori di distanza 50 sono montati all’interno della struttura e sono utilizzati allo scopo di misurare la distanza dello strumento di misura dalla tubazione al fine di centrarlo durante la misura e di evitare eventuali ostacoli. La dotazione elettronica dello strumento di misura è completata da due videocamere 49 che monitorano lo stato della misura e da almeno una scheda di controllo che gestisce i sensori e gli attuatori dello strumento di misura. Si faccia riferimento adesso alla figura 12, che mostra in vista prospettica ingrandita una terza variante 30 dello strumento di misura dello spessore. L’azionamento circonferenziale dello strumento non avviene mediante ingranaggio e cremagliera, bensì mediante un tendine 70 e pulegge 71. At least two distance sensors 50 are mounted inside the structure and are used in order to measure the distance of the measuring instrument from the pipe in order to center it during the measurement and to avoid any obstacles. The electronic equipment of the measuring instrument is completed by two video cameras 49 which monitor the measurement status and by at least one control board which manages the sensors and actuators of the measuring instrument. Refer now to figure 12, which shows in an enlarged perspective view a third variant 30 of the thickness measuring instrument. The circumferential actuation of the instrument is not done by gear and rack, but by means of a tendon 70 and pulleys 71.
Si faccia riferimento alla figura 13, che è una sezione trasversale di una quarta variante 53 dello strumento di misura dello spessore secondo l’invenzione. In essa si fa uso di sensori ad ultrasuoni 76 a singolo contatto. Il loro impiego richiede un gel, che non è invece necessario per i sensori a rullo della seconda variante di strumento di misura dello spessore precedentemente descritta. Allo scopo sono previste: una coppia di siringhe 72 contenenti il gel di accoppiamento necessario alla misura nel caso di utilizzo di sensori ad ultrasuoni a singolo contatto, una coppia di attuatori 73 delle siringhe per il deposito automatico del gel, una coppia di attuatori lineari 74 per la movimentazione dei sensori ad ultrasuoni in direzione radiale alla tubazione in cui i due sensori si possono muovere singolarmente, e una coppia di sensori ad ultrasuoni 76 a singolo contatto. Refer to figure 13, which is a cross section of a fourth variant 53 of the thickness measuring instrument according to the invention. It uses single contact ultrasonic sensors 76. Their use requires a gel, which is not however necessary for the roller sensors of the second variant of the thickness measuring instrument described above. For this purpose the following are provided: a pair of syringes 72 containing the coupling gel necessary for the measurement in the case of use of single-contact ultrasonic sensors, a pair of actuators 73 of the syringes for automatic gel deposit, a pair of linear actuators 74 for moving the ultrasonic sensors in a radial direction to the pipe in which the two sensors can move individually, and a pair of single-contact ultrasonic sensors 76.
Con riferimento alla sezione trasversale e alla vista prospettica delle figure 14 e 15, è mostrata una quinta variante 79 di strumento di misura dello spessore. Esso è formato da una molteplicità di settori componenti 80 tenuti insieme mediante una guida curva 83 su cui sono incollati. Alberi flessibili 81 in acciaio armonico servono a irrigidire la struttura alla torsione e per permetterne la deformazione attuata da una coppia di attuatori 82. I settori componenti 80 hanno asole in cui scorre l’albero flessibile 81 che è vincolato alle sue estremità all’ultimo settore componente 80 in ciascun lato della quinta variante 79 di strumento di misura. La coppia di attuatori lineari 82, uno per ciascun albero flessibile 81, è posizionata centralmente nella quinta variante 79 di strumento di misura e permette l’allargamento e il restringimento dello stesso come mostrato nella figura 14, dove sono rappresentati due tubazioni da misurare di diametro diverso. With reference to the cross section and the perspective view of Figures 14 and 15, a fifth variant 79 of a thickness measuring instrument is shown. It is formed by a plurality of component sectors 80 held together by a curved guide 83 on which they are glued. Flexible shafts 81 in harmonic steel serve to stiffen the structure against torsion and to allow the deformation carried out by a pair of actuators 82. The component sectors 80 have slots in which the flexible shaft 81 slides, which is constrained at its ends to the last sector component 80 in each side of the fifth variant 79 of measuring instrument. The pair of linear actuators 82, one for each flexible shaft 81, is centrally positioned in the fifth variant 79 of the measuring instrument and allows its widening and narrowing as shown in figure 14, where two pipes to be measured in diameter are represented. different.
La guida in acciaio armonico 83 forma lo scheletro di sostegno dei settori componenti 80, nonché un binario per un carrello 84, che come il carrello 36 della seconda variante 6 di strumento di misura permette la rotazione della quinta variante 79 di strumento di misura intorno alla tubazione da misurare. Si faccia riferimento alle figure 16 a 20 che sono viste prospettiche schematiche di un braccio robotico simile a quello della prima forma di realizzazione, rappresentato unito al veicolo collegato al drone, e portante una seconda variante di strumento di misura dello spessore. Il veicolo si viene a trovare in varie situazioni esemplificative create da due tubazioni affiancate: nella figura 16 è mostrato che il sistema robotico è in grado di posizionare la seconda variante 6 di strumento di misura in un tratto curvo della stessa tubazione in cui si trova, nella figura 17 si vede che il sistema robotico avanza su di un tratto curvo di tubazione, nella figura 18 è mostrato che il sistema robotico è in grado di posizionare la seconda variante 6 di strumento di misura in un tratto di tubazione diversa da quella in cui si trova il sistema robotico secondo la presente invenzione, pure alla presenza di un ostacolo O; nella figura 19 la seconda variante 6 di strumento di misura è posizionata su di un tratto di tubazione verticale rispetto al tratto di tubazione in cui si trova il sistema robotico; e nella figura 20 si vede la seconda variante 6 di strumento di misura in una posizione sottostante il sistema robotico. The harmonic steel guide 83 forms the supporting skeleton of the component sectors 80, as well as a track for a trolley 84, which, like the trolley 36 of the second variant 6 of the measuring instrument, allows the rotation of the fifth variant 79 of the measuring instrument around the pipeline to be measured. Refer to figures 16 to 20 which are schematic perspective views of a robotic arm similar to that of the first embodiment, shown together with the vehicle connected to the drone, and carrying a second variant of thickness measuring instrument. The vehicle finds itself in various exemplary situations created by two pipes side by side: in figure 16 it is shown that the robotic system is able to position the second variant 6 of the measuring instrument in a curved section of the same pipe in which it is located, in figure 17 it is seen that the robotic system advances on a curved section of pipe, in figure 18 it is shown that the robotic system is able to position the second variant 6 of the measuring instrument in a section of pipe other than that in which the robotic system according to the present invention is found, even in the presence of an obstacle O; in Figure 19, the second variant 6 of the measuring instrument is positioned on a vertical pipe section with respect to the pipe section in which the robotic system is located; and Figure 20 shows the second variant 6 of the measuring instrument in a position below the robotic system.
Si faccia riferimento adesso alle figure 21 e 22 che sono rispettivamente una vista prospettica e una vista prospettica esplosa di una seconda forma di realizzazione di braccio robotico a guida, indicato generalmente con 100. Esso è stato studiato per ridurre al minimo il peso del braccio robotico massimizzando al contempo le possibilità applicative. Refer now to figures 21 and 22 which are respectively a perspective view and an exploded perspective view of a second embodiment of a guided robotic arm, generally indicated with 100. It has been designed to minimize the weight of the robotic arm while maximizing the application possibilities.
Il braccio robotico 100 comprende una guida 101 montata sulla piattaforma di supporto 520 del primo ponte 300 del veicolo 1 tramite un montante 113. Un primo giunto rotoidale 107 permette una rotazione intorno ad un asse verticale rispetto alla piattaforma di supporto 520 del veicolo 1. Il giunto 107 comprende inoltre un cuscinetto assiale a rullini 104 e un cuscinetto radiale 103 rispetto ai quali ruota un albero del giunto 107. Il giunto è attuato da un attuatore lineare 105 montato con un sistema biella manovella o in alternativa da un attuatore rotante che attua il giunto attraverso una trasmissione a ingranaggi o flessibile. Sulla guida 101 scorre un carrello 109 grazie a cuscinetti 108. Inoltre sulla guida 101 è realizzata una cremagliera 112 su cui ingrana una ruota dentata 110 solidale al carrello 109 e attuata da un servo attuatore 111. Sul carrello 109 è montato il carrello 36 dello strumento di misura 6 dello spessore. The robotic arm 100 comprises a guide 101 mounted on the support platform 520 of the first bridge 300 of the vehicle 1 by means of an upright 113. A first rotary joint 107 allows rotation about a vertical axis with respect to the support platform 520 of the vehicle 1. The joint 107 also comprises an axial roller bearing 104 and a radial bearing 103 with respect to which a shaft of the joint 107 rotates. The joint is actuated by a linear actuator 105 mounted with a connecting rod system or alternatively by a rotary actuator which actuates the joint through a gear or flexible drive. A carriage 109 slides on the guide 101 thanks to bearings 108. Furthermore, on the guide 101 there is a rack 112 on which engages a toothed wheel 110 integral with the carriage 109 and actuated by a servo actuator 111. The carriage 36 of the instrument is mounted on the carriage 109 measuring 6 thickness.
La guida 101 è configurata in modo da permettere un moto lineare nella prima zona (vista laterale della figura 23), un moto roto-traslatorio nella seconda zona (vista laterale delle figure 24 e 26) e il ribaltamento dello strumento di misura nella terza zona (vista laterale della figura 25). Il moto di ribaltamento nella terza zona permette inoltre di posizionare lo strumento di misura in una configurazione di riposo in cui si massimizza l’aerodinamicità durante il volo e in cui lo strumento di misura non è di intralcio per le eliche del drone. The guide 101 is configured in such a way as to allow a linear motion in the first zone (side view of figure 23), a roto-translational motion in the second zone (side view of figures 24 and 26) and the overturning of the measuring instrument in the third zone (side view of figure 25). The overturning motion in the third zone also allows you to position the measuring instrument in a rest configuration in which aerodynamics are maximized during flight and in which the measuring instrument is not in the way of the drone's propellers.
Il moto lineare nella prima zona combinato con il moto di rotazione del primo giunto e con l’articolazione del veicolo permette il posizionamento dello strumento di misura sia su tratti rettilinei della tubazione sia lungo curve orizzontali (figure 26 e 27). Il moto rototraslatorio nella seconda zona permette il posizionamento dello strumento di misura su tratti curvi con curvatura verticale verso l’alto (figura 24). The linear motion in the first zone combined with the rotational motion of the first joint and with the articulation of the vehicle allows the positioning of the measuring instrument both on straight sections of the pipe and along horizontal curves (Figures 26 and 27). The roto-translational motion in the second area allows the positioning of the measuring instrument on curved sections with vertical curvature upwards (Figure 24).
La figura 28 è una vista prospettica della prima forma di realizzazione di braccio robotico 3 unito ad un drone 7 a sei eliche. La seconda variante 6 di strumento di misura dello spessore è montata sul drone 7 invece che sul veicolo 1. Figure 28 is a perspective view of the first embodiment of a robotic arm 3 joined to a six-propeller drone 7. The second variant 6 of the thickness measuring instrument is mounted on the drone 7 instead of on the vehicle 1.
Nella figura 29 è mostrato un quadro riassuntivo delle parti principali che costituiscono il sistema. Le parti sono di per sé chiare: gli acronimi altrettanto. GPS sta per Ground Positioning System, IMU per Inertial Measurement Units, ESC per Electronic Speed Control. Figure 29 shows a summary of the main parts that make up the system. The parts are clear in themselves: the acronyms just as much. GPS stands for Ground Positioning System, IMU for Inertial Measurement Units, ESC for Electronic Speed Control.
Come si può notare dalle figure, tutte le strutture sono studiate per essere leggere e aerodinamiche per consentire lo spostamento tramite drone dello strumento di misura dello spessore e il suo atterraggio sulla tubazione da ispezionare. In sintesi, le caratteristiche del sistema sono le seguenti: As can be seen from the figures, all the structures are designed to be light and aerodynamic to allow the movement of the thickness measuring instrument by drone and its landing on the pipe to be inspected. In summary, the characteristics of the system are the following:
Il peso dell’intero sistema è ridotto per massimizzare il tempo di volo. Tutte le strutture sono realizzate in materiali leggeri ad alta resistenza quali fibra di carbonio e plastiche rinforzate per minimizzare il peso. The weight of the entire system is reduced to maximize flight time. All structures are made of high strength lightweight materials such as carbon fiber and reinforced plastics to minimize weight.
Il sistema è in grado di volare e atterrare sulle tubazioni. The system is capable of flying and landing on pipelines.
Il sistema è in grado di camminare sulle tubazioni seguendone la curvatura grazie al veicolo con struttura articolata. The system is able to walk on the pipes following their curvature thanks to the vehicle with an articulated structure.
Il sistema è in grado di stabilizzarsi sulla tubazione grazie all’utilizzo combinato di veicolo ed eliche del drone. The system is able to stabilize on the pipeline thanks to the combined use of vehicle and drone propellers.
Nella parte frontale del veicolo oppure direttamente sul drone è montato un braccio robotico, le cui differenti forme realizzative sono state descritte. A robotic arm is mounted in the front part of the vehicle or directly on the drone, the different embodiments of which have been described.
Il braccio robotico è in grado di: The robotic arm is capable of:
- Posizionare lo strumento di misura in differenti configurazioni in modo da effettuare misure su tratti rettilinei, curve orizzontali, curve verticali e T, ed anche su tubazioni adiacenti. - Position the measuring instrument in different configurations in order to carry out measurements on straight sections, horizontal curves, vertical and T curves, and also on adjacent pipes.
- Richiudersi posizionando lo strumento di misura in una configurazione atta ad evitare interferenze aerodinamiche quando il drone è in volo. - Close by placing the measuring instrument in a configuration suitable to avoid aerodynamic interference when the drone is in flight.
Lo strumento di misura permette di: The measuring tool allows you to:
- Effettuare misure di spessore di tubazioni usando sensori ad ultrasuoni o diversi. - Carry out thickness measurements of pipes using ultrasonic or other sensors.
- Posizionarsi intorno all’asse della tubazione a differenti angoli con precisione millimetrica. - Position yourself around the axis of the pipe at different angles with millimeter precision.
- Effettuare misure lungo tratti retti delle tubazioni, curvi ed eventualmente T. - Carry out measurements along straight, curved and possibly T.
- Effettuare misure su tubazioni la cui distanza reciproca da altri tubi e/o ostacoli è ridotta. - Carry out measurements on pipes whose mutual distance from other pipes and / or obstacles is reduced.
Una generica operazione di misura consiste nelle seguenti fasi: A generic measurement operation consists of the following phases:
- Alimentazione del sistema; - System power supply;
- Attivazione dei motori avionici; - Activation of avionic engines;
- Decollo; - Take off;
- Guida remota assistita da sensori di bordo; - Remote guidance assisted by on-board sensors;
- Raggiungimento del sito dell’impianto da ispezionare e misurare; - Reaching the site of the plant to be inspected and measured;
- Atterraggio automatico sulla tubazione (assistito dal sistema di visione); - Chiusura dei bracci delle eliche per raggiungere l’assetto di misurazione; - Automatic landing on the pipe (assisted by the vision system); - Closing the propeller arms to reach the measurement set-up;
- Guida remota sulla tubazione mediante il veicolo assistita da sensori di bordo che permettono di seguire la curvatura della tubazione; - Remote guidance on the pipeline by means of the vehicle assisted by on-board sensors that allow you to follow the curvature of the pipeline;
- Raggiungimento del sito della tubazione da ispezionare e misurare; - Apertura del braccio robotico in assetto di ispezione e misurazione; - Posizionamento di precisione dello strumento di misura; - Reaching the site of the pipeline to be inspected and measured; - Opening of the robotic arm in inspection and measurement position; - Precision positioning of the measuring instrument;
- Avvio della sequenza di misurazioni del diametro della tubazione con salvataggio dei dati; - Start of the pipeline diameter measurement sequence with data saving;
- Iterazione della sequenza di misurazioni per successivi siti; - Iteration of the sequence of measurements for subsequent sites;
- Chiusura del braccio robotico in assetto di volo; - Closure of the robotic arm in flight attitude;
- Apertura dei bracci delle eliche per assetto di volo; - Opening of the propeller arms for flight attitude;
- Decollo automatico dalla tubazione utilizzando i sensori di bordo; - Volo con guida assistita da sensori di bordo; - Rientro alla base; - Automatic take-off from the pipeline using on-board sensors; - Flight with guidance assisted by on-board sensors; - Return to the base;
- Atterraggio; - Landing;
- Disattivazione dei motori avionici; - Deactivation of avionics engines;
- Disalimentazione del sistema. - System disconnection.
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| JUHA RÖNING ET AL: "HYFLIERS Project Presentation - HYbrid FLying rollIng with-snakE-aRm robot for contact inSpection", 30 January 2018 (2018-01-30), University of Oulu -Finland, pages 1 - 7, XP055689004, Retrieved from the Internet <URL:https://www.oulu.fi/hyfliers/documents/HYFLIERS_D8dot1.pdf> [retrieved on 20200424] * |
| SUPING ZHAO ET AL: "Nonlinear Model Predictive Control for the Stabilization of a Wheeled Unmanned Aerial Vehicle on a Pipe", IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS, vol. 4, no. 4, 6 August 2019 (2019-08-06), pages 4314 - 4321, XP055689007, DOI: 10.1109/LRA.2019.2931821 * |
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