робот – змея для технической диагностики и  ремонта трубопроводов

 

Поезжаева Е.В., Юшков В.С.

(ГОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет,  г.Пермь, РФ)

 

In clause the robot  snake with which help control of a condition  pipelines is considered is carried out. The basic strategy of maintenance high reliability of pipeline systems becomes operation and repair on an actual condition. The circuit of management is submitted the data robot. With the purpose of its movement in pipes of small diameter.

 

Роботы - слово, которое  нас окружает не только с экранов телевизоров, но и в повседневной жизни. Больший интерес для людей всегда представляли не промышленные роботы (хорошо развитые станки), а именно сложноорганизованные роботы, которые смогли бы сосуществовать рядом с человеком: на работе, дома, в дороге, во время развлечений.

Современное поколение является свидетелем стремительного развития науки и техники. За последние триста лет человечество прошло путь от простейших паровых машин до мощных атомных электростанций, овладело сверхзвуковыми скоростями полета, поставило себе на службу энергию рек, создало огромные океанские корабли и гигантские землеройные машины, заменяющие труд десятков тысяч землекопов. Запуском первого искусственного спутника Земли и полетом первого человека в космос наша страна проложила путь к освоению космического пространства.

Робототехника является одним из новых направлений автоматизации производственных процессов, начало развития, которого в нашей стране относится к последнему десятилетию. Комплексный подход к решению технико - экономических и социальных задач, связанных с внедрением роботов, позволил высвободить от монотонного труда  рабочих [1].

Факторами эффективности применения роботов являются:

а) мобильность в экстремальных условиях, не допускающих участие человеческого персонала;

б) повышение быстродействия, точности и стабильности основных показателей техники;

в) сокращение численности людей и выведение их из зон, опасных для жизни;

г) исключение ошибок операторов.

В настоящее время в России используются устаревшие системы магистральных нефтегазопроводов. Общая протяженность магистральных трубопроводов превышает 300 тыс. км. При этом около 40 % газопроводов и 60 % нефтепроводов находится в эксплуатации более 20 лет.

Очевидно, что традиционный подход к поддержанию работоспособности трубопроводов путем проведения капитальных ремонтов отдельных участков труб не может обеспечить надежность и безопасность магистральных  нефтегазопроводов из-за их большой протяженности.

Поэтому, основной стратегией обеспечения высокой надежности магистральных систем становится эксплуатация и ремонт «по фактическому состоянию», то есть переход к выборочному «точечному» ремонту элементов и участков по результатам 100 % диагностического обследования многокилометровых трубопроводов.

Роботы с малыми диаметрами колес для диагностики труб имеют недостатки ввиду малой степени подвижности внутри исследуемого объекта. В последние годы всё большее значение приобретает метод бестраншейной инспекции, а также ремонта трубопроводов с помощью роботов и одной из актуальных задач в этом направлении является создание змеевидного мобильного робота рис. 1. Область возможного применения подобного робота необычайно широка. Это и подвижные управляемые извне макеты змей, используемые в киноиндустрии и индустрии развлечений, и специализированные роботы, предназначенные для выполнения исследовательских, инспекционных и спасательных работ в экстремальных условиях и чрезвычайных ситуациях на Земле и в планируемых экспедициях на другие планеты [2].

Рисунок 1 - Конструкция змеевидного робота

 

Бионический подход в разработке автоматизированных автономных устройств используется в робототехнике с первых шагов её развития. Можно сказать, многообразие живого мира, способности адаптации отдельных организмов к среде обитания и выполнению специальных операций, энергетическая экономичность, оснащенность средствами сенсорики и коммуникации, побуждают инженеров вступать в соревнование с природой. Одно из интересных направлений развития робототехники для контроля и диагностики труб связано с разработкой змееподобных роботов. Биологические змеи распространены по всей планете, а способы передвижения и физиология этих существ делают их в высшей степени приспособленными к обитанию в средах с различными климатическими условиями. Змеевидное устройство, способное скользить, плавно передвигаться и перекатываться, перемещаясь по плохо структурированным поверхностям, в подвижных (сыпучих и жидких) средах, перемещаться в ограниченных областях, рассматривается как эффективная альтернатива традиционному шагающему или колесному роботу. Для выполнения змееподобных движений механическая система должна обладать числом степеней свободы, превосходящих число степеней традиционных манипуляторов, поэтому змеевидные роботы вместе с хоботообразными манипуляторами относятся к классу гиперизбыточных роботов. Степень подвижности создаваемого робота – змеи зависит от функционального назначения данной конструкции.

Следует отметить, что трудности организации целенаправленного перемещения бесколесного змеевидного робота в значительной мере были связаны с отсутствием рациональной механической модели перемещения гибкого змеевидного тела.

Рассматриваемые роботы с диагностическими датчиками на борту, предназначены для движения внутри труб малых диаметров, в диапазоне от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. С целью выполнения технической диагностики машин и агрегатов нефтехимической и газовой промышленности, энергетических объектов, проведения регламентных и ремонтных работ трубопроводов малых диаметров, а также применения в технологических процессах высокоточной обработки изделий для энергетических систем.

В состав систем управления роботами для обеспечения высокоточных движений применяются датчики. Видеоконтрольные устройства необходимы для получения визуальной информации о состоянии внутренних поверхностей труб. В качестве этих устройств можно использовать  искусственные маяки, в результате робот может попытаться самостоятельно выделить статичные элементы окружающей обстановки и выполнить привязку к ним своих координат. Недостаток такого подхода заключается в проблемах с нахождением ключевых объектов при изменении условий внешней среды (например, уровня освещенности). Здесь может помочь использование стереокамер – зная угол зрения каждой из них, можно вычислить расстояние до цели. Но все равно остается актуальной задача распознавания одного и того же объекта каждой камерой и последующая синхронизация их «взглядов», что роботам пока сложно делать в масштабе реального времени. Затем информация подвергается микропроцессорной обработке. В качестве диагностических устройств могут применяться микродатчики, построенные на иных принципах, например, ультразвуковые – для выявления внутренних трещин, электромагнитные и другие, реализующие методы неразрушающего контроля рис. 2 [3, 4].

В настоящее время появились роботы – инспекторы, которые позволяют осуществлять контроль намного проще и эффективнее. Запустил кроху-робота с миниатюрной телекамерой внутрь трубы, и он старательно осмотрит ее миллиметр за миллиметром. Для передвижения подобных роботов можно использовать разные способы – электростатические, пьезоэлектрические, ультразвуковые и др.

Реализация микропроцессорного управления движением миниатюрных роботов внутри труб малых диаметров представляет собой сложную научно-техническую задачу в связи с малыми размерами изделий и ограниченным пространством, в котором происходит движение. Это обуславливает необходимость повышения автономности управления и учета особенностей миниатюризации конструкции и специфики принципа действия механической системы робота.

Рисунок 2 - Схема системы управления

 

Один из вариантов функциональной блок – схемы устройств управления, реализующей алгоритмы компенсации геометрических и статических ошибок положения представлен на рис. 3.

Рисунок 3 - Функциональная блок – схема компенсации ошибок:

А – блок компенсации статических ошибок положения; Б – блок компенсации геометрических ошибок положения

 

Как показал опыт внедрения робототехника, является новой формой технической и организационной ячейки, наиболее полно отвечающей потребностям современного производства.

 

Литература

1. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Управление роботами. – М.: Изд – во МГОУ им. Н.Э. Баумана, 2000.

2. Корендясев А.И. Теоретические основы робототехники: в 2 кн./ А.И. Корендясев, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тывес; отв. Ред. С.М. Каплунов. – М.: Наука, 2006.

3. Поезжаева Е.В. Промышленные роботы: учеб. пособие: в 3 ч. / Е.В. Поезжаева. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. – Ч. 1. – 64 с.

4. Поезжаева Е.В., Юшков В.С. Разработка змееподобного робота для диагностики трубопроводов// материалы II международной научно– практической конференции,  робототехника как образовательная технология г. Железногорск, 3 декабря 2010 г.  с. 73-76.