Index of /rozprawy2/11248

Pełen tekst

(1)AGH University of Science and Technology in Kraków, Poland. Faculty of Mechanical Engineering and Robotics Department of Robotics and Mechatronics DOCTORAL DISSERTATION. MODELING AND CONTROL OF A TRACKED MOBILE ROBOT FOR PIPELINE INSPECTION mgr inż. Michał Ciszewski Supervisor dr hab. inż. prof. nadzw. AGH Mariusz Giergiel Co-supervisor dr hab. inż. Tomasz Buratowski Kraków, 2017.

(2) AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Robotyki i Mechatroniki ROZPRAWA DOKTORSKA. MODELOWANIE I STEROWANIE MOBILNEGO ROBOTA GĄSIENICOWEGO DO INSPEKCJI RUROCIĄGÓW mgr inż. Michał Ciszewski Promotor dr hab. inż. prof. nadzw. AGH Mariusz Giergiel Promotor pomocniczy dr hab. inż. Tomasz Buratowski Kraków, 2017.

(3) Abstract. Abstract AGH University of Science and Technology in Kraków, Poland Faculty of Mechanical Engineering and Robotics Department of Robotics and Mechatronics. Doctoral dissertation Title: Modeling and control of a tracked mobile robot for pipeline inspection Author: mgr inż. Michał Ciszewski Supervisor: dr hab. inż. prof. nadzw. AGH Mariusz Giergiel Co-supervisor: dr hab. inż. Tomasz Buratowski In this dissertation, design, mathematical modeling, control system development and experimental validation of a versatile pipe inspection mobile robot is presented. The design is based on an original, patented structure of mobile motion unit that features two track drives, integrated in a chassis, adjusted by six servomotors. This advantageous structure allows to use a single robotic unit that can be actively adapted for inspection and visual monitoring of different industrial facilities, including pipelines of various sizes and shapes, oriented horizontally and vertically, even or rough surfaces. Mathematical modeling of the robot includes kinematic and dynamic models of the robot motion, dedicated for inspection of even surfaces. The adaptive chassis of the robot, composed of two pedipulators with closed kinematic chains, requires complex modeling and control methods to realize its tasks. To transform the robot to diverse work environments, an original trajectory generation algorithm is developed that utilizes 3D model of the robot, analytical and numerical forward and inverse kinematics with addition of custom rules. The mathematical models are verified by dedicated simulations of pedipulators transformation and adaptation to different pipe sizes, prepared in the MATLAB software. To predict real operation of a prototype, extensive verification of the robot model is successfully conducted by custom co-simulations that involve usage of the MATLAB/Simulink software for mathematical model processing, controller design, hardware interaction and the V-REP application for simulation of the 3D robot model and execution of control commands. Control system of the robot is designed as a multidisciplinary solution, based on methods applied for mobile robots and arm-type robots. Development of a custom electronic board is discussed with focus on functionality. 3.

(4) Abstract. and application of the control system. Software development covers low-level applications for the robot on-board controller and high-level operator program that generates commands, allows adaptation of the robot chassis and visualizes inspection data. Development of a prototype of the robot is presented, including integration of mechanical, electrical and electronic components with sensors and the control system. Laboratory experiments are conducted that verify the modeling and control system design in different work scenarios and operating conditions. These tests show that the thesis of this dissertation is fulfilled. An enhanced version of the prototype is presented with augmented functionality in the aspect of mechanical, communication, power supply and control systems that is ready for industrial implementation in visual inspection tasks.. 4.

(5) Streszczenie. Streszczenie AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Robotyki i Mechatroniki. Rozprawa doktorska Tytuł: Modelowanie i sterowanie mobilnego robota gąsienicowego do inspekcji rurociągów Autor: mgr inż. Michał Ciszewski Promotor: dr hab. inż. prof. nadzw. AGH Mariusz Giergiel Promotor pomocniczy: dr hab. inż. Tomasz Buratowski W poniższej rozprawie doktorskiej przedstawiony został wszechstronny, mobilny robot gąsienicowy do inspekcji rurociągów. Poruszone zostały aspekty projektowania konstrukcji, modelowania matematycznego, opracowania układu sterowania oraz wykonania i weryfikacji eksperymentalnej prototypu. Konstrukcja robota oparta jest o autorski, opatentowany mechanizm układu jezdnego, napędzany sześcioma serwomechanizmami,. ustawiającymi. pozycję. i. orientację. dwóch. modułów. gąsienicowych. Tak korzystna konstrukcja, pozwala na stosowanie jednego robota do inspekcji wizyjnej różnego typu obiektów przemysłowych, w tym rurociągów o różnych kształtach i wymiarach, o orientacji poziomej i pionowej oraz do jazdy po równych i nierównych powierzchniach. W pracy przedstawione zostały modele kinematyki i dynamiki ruchu robota, dedykowane do inspekcji równych powierzchni. Aktywny, adaptacyjny układ jezdny robota, składający się z dwóch pedipulatorów o zamkniętym łańcuchu kinematycznym, wymaga stosowania złożonych metod modelowania i sterowania. Opracowany został autorski algorytm planowania trajektorii pedipulatorów, oparty o model 3D robota oraz o analityczne i numeryczne modele kinematyki prostej i odwrotnej. Modele matematyczne zweryfikowane zostały w oprogramowaniu MATLAB za pomocą symulacji ruchu i adaptacji układu jezdnego. Aby przewidzieć działanie prototypu, pomyślnie przeprowadzono symulacje równoległe systemu przy użyciu oprogramowania MATLAB/Simulink oraz V-REP, obejmujące implementację modeli matematycznych, układu sterowania oraz interakcję sprzętową z modelem 3D robota.. Układ. sterowania. robota. zaprojektowany. 5. został. przy. użyciu.

(6) Streszczenie. multidyscyplinarnych metod, obejmujących zagadnienia związane ze sterowaniem robotów mobilnych i manipulatorów. Opisano dedykowany układ elektroniczny sterownika napędów, komunikacji i systemów sensorycznych robota. Zaprezentowano niskopoziomową aplikację dla układu sterownika robota, jak i oprogramowanie operatorskie do obsługi ruchu i adaptacji układu jezdnego oraz wizualizacji danych inspekcyjnych. Wykonanie prototypu opisane zostało z uwzględnieniem integracji podzespołów. mechanicznych,. elektrycznych,. elektronicznych,. sensorycznych. i sterowania. Testy laboratoryjne prototypu pozwoliły na weryfikację działania robota i adaptacji układu jezdnego do zmiennego środowiska pracy, co potwierdza spełnienie tezy rozprawy doktorskiej. Opracowana została ulepszona wersja prototypu, w której zmodyfikowano układy mechaniczne, komunikacyjne, zasilania i sterowania, a prototyp gotowy jest do wdrożenia w przemyśle w obszarze inspekcji wizyjnej.. W rozdziale 1 „Wprowadzenie” przedstawione zostały: wstęp do rozprawy doktorskiej, cel i zakres pracy, teza oraz plan rozprawy. Robotyka mobilna jest dynamicznie rozwijającą się gałęzią dyscypliny „Automatyka i Robotyka”, a roboty mobilne coraz częściej używane są do wykonywania czynności wspomagających lub zastępujących działania człowieka, konsekwentnie wypełniając lukę pomiędzy funkcjonalnością manipulacyjną robotów stacjonarnych, a potrzebą mobilności. Obecnie, powszechnym staje się zastosowanie mobilnych robotów inspekcyjnych w przemyśle do monitoringu miejsc niedostępnych lub niebezpiecznych dla człowieka. W związku z mnogością zastosowań robotów, tworzona jest duża ilość rozwiązań, dostosowanych do pracy w danych typach przestrzeni roboczych. Motywacją do podjęcia prac jest stworzenie mobilnego robota gąsienicowego, pozwalającego na zmniejszenie ilości urządzeń, koniecznych do prowadzenia monitoringu rurociągów poziomych i pionowych oraz powierzchni płaskich, poprzez zastosowanie aktywnego systemu adaptacji mechanizmu jezdnego. Problemy badawcze poruszane w rozprawie obejmują zaprojektowanie, stworzenie modeli, opracowanie symulacji oraz układu sterowania robota wraz z walidacją eksperymentalną prototypu. W omawianym rozdziale, sformułowana została teza rozprawy doktorskiej: „Możliwym jest stworzenie modelu matematycznego oraz jego implementacja w systemie sterowania mobilnego robota, wyposażonego w dwa napędy gąsienicowe, do adaptacji mechanizmu jezdnego i ruchu w rurociągach poziomych o różnych kształtach. 6.

(7) Streszczenie. i wymiarach, w rurociągach pionowych i na równych powierzchniach.” Plan rozprawy doktorskiej zawiera streszczenie ośmiu rozdziałów, obejmujących kolejne etapy prac badawczych, związanych z realizacją działań, koniecznych do udowodnienia wyżej przedstawionej tezy. W rozdziale 2 „Zrobotyzowana inspekcja rurociągów” przedstawiono przegląd literaturowy mobilnych robotów, przeznaczonych do wielu typów zadań związanych z monitoringiem i inspekcją. Następnie opisane zostały uszkodzenia mogące wystąpić w rurociągach oraz metody inspekcji tych przestrzeni. Dokonano przeglądu mobilnych robotów inspekcyjnych, zaprojektowanych do poruszania się w rurociągach o różnych rozmiarach, typach i orientacji. Rozwiązania obejmują zarówno konstrukcje opracowane w instytutach badawczych, jak i produkty oferowane komercyjnie przez firmy z całego świata. Na podstawie wyżej wymienionych przeglądów literaturowych, stwierdzono zapotrzebowanie na opracowanie wszechstronnego robota do inspekcji rurociągów. Mobilne roboty inspekcyjne, w zależności od zastosowania mogą pracować w różnych warunkach. Klasyfikacja robotów może być przeprowadzona ze względu na rodzaj wykonywanego ruchu: roboty poruszające się po ziemi, wspinające się, latające, pływające czy podwodne. Innym kryterium podziału jest wyszczególnienie typu lokomocji stosowanej przez robota. Roboty poruszające się po ziemi mogą posiadać koła, gąsienice, odnóża bądź elementy pozwalające na pełzanie czy skakanie. W robotyce inspekcyjnej można wyróżnić główne obszary zastosowaniami robotów: wewnątrz pomieszczeń (monitoring budynków), na zewnątrz (zastosowania militarne, monitoring stref niebezpiecznych. lub. niedostępnych),. pod. wodą (inspekcja. rurociągów. wypełnionych cieczami, konstrukcji podwodnych) oraz w powietrzu (inspekcja instalacji przemysłowych, upraw, misje zwiadowcze). Osobną grupą robotów inspekcyjnych są urządzenia nadzorujące procesy przemysłowe. W tej części rozdziału 2 przedstawiony został przegląd rodzajów robotów mobilnych, zaprojektowanych do pracy w różnego typu środowiskach naziemnych, z uwzględnieniem robotów kołowych, gąsienicowych i kroczących. Inspekcja rurociągów jest szerokim zagadnieniem, w którego zakresie może znajdować się badanie stanu technicznego nowo zbudowanych rurociągów przed odbiorem technicznym, jak i monitoring okresowy eksploatowanych rurociągów w poszukiwaniu ewentualnych defektów, czy inwentaryzacja sieci rurociągowej w celu. 7.

(8) Streszczenie. opracowania. dokumentacji. technicznej.. Uszkodzenia,. które. mogą. wystąpić. w eksploatowanych rurociągach obejmują m. in. odspojenie powłok ochronnych, korozję, deformację, rozszczelnienia. W niektórych przypadkach może dojść do zmian powodujących znaczące ograniczenie lub zatrzymanie przepływu cieczy, takich jak tworzenie się i cementowanie osadów lub penetracja rur przez obiekty obce, prowadząca do rozszczelnień. Inspekcja rurociągów opiera się w większości o nieinwazyjne metody oceny stanu technicznego. Najczęściej stosowaną techniką jest inspekcja wizyjna rurociągów,. z. zastosowaniem kamer. inspekcyjnych,. odpornych. na. warunki. środowiskowe, wyposażonych w oświetlenie oraz napędy pozwalające na dostosowanie układu wizyjnego do badanego obiektu i dokładną ocenę defektów. Stosowane są także badania ultradźwiękowe, radiografia, metody magnetyczne, pozwalające dodatkowo na detekcję niewidocznych uszkodzeń. Wybór danej metody wiąże się z doborem czujników i przetworników do danego typu rurociągu. Do dokumentacji rurociągów stosuje się metody oparte na pomiarach laserowych oraz optycznych. Do inspekcji rurociągów używane są roboty poruszające się wewnątrz, jak i po powierzchniach zewnętrznych rur. Do pracy wewnątrz rurociągów najczęściej używa się oszczędnych energetycznie konstrukcji opartych na kołach, jednak zastosowanie napędu gąsienicowego pozwala na poprawę trakcji i zwiększenie możliwości pokonywania przeszkód. W większości robotów gąsienicowych, stosowane są układy ruchu, pozwalające na nieznaczne dostosowanie do środowiska pracy. W przeglądzie, pokazane zostały roboty, dedykowane do inspekcji rurociągów pionowych lub poziomych. Po analizie dostępnych rozwiązań, stwierdzono, że nie istnieje konstrukcja robota, pozwalająca na jednoczesne dostosowanie się do ruchu na powierzchniach płaskich, w rurociągach poziomych oraz rurociągach pionowych, co stanowi motywację do podjęcia badań w zakresie modelowania i sterowania układu jezdnego robota z aktywnym systemem adaptacji do przestrzeni roboczej. W rozdziale 3 „Projekt mobilnego robota do inspekcji rurociągów z aktywnym mechanizmem adaptacji układu jezdnego” zaprezentowana została konstrukcja mechaniczna robota, oparta na opatentowanym rozwiązaniu, uwzględniającym sformułowane wcześniej założenia. Układ ruchu robota składa się z dwóch pedipulatorów o zamkniętym łańcuchu kinematycznym, sześciu przegubach obrotowych i trzech serwomechanizmach, pozwalających na zmianę pozycji i orientacji zintegrowanych gąsienicowych modułów napędowych. Łącznie robot posiada osiem napędów, z czego. 8.

(9) Streszczenie. cztery umieszczone są wewnątrz korpusu i napędzają współosiowe pierścienie obrotowe poprzez przekładnie zębate, dwa umieszczone są w ramionach zewnętrznych pedipulatorów, a dwa silniki napędzają moduły gąsienicowe. Konstrukcja robota wykonana jest w większości z elementów aluminiowych oraz ze stali nierdzewnej, zapewniających ochronę przed korozją, a wszystkie złącza są uszczelnione, aby umożliwić działanie w środowisku wodnym. W projekcie robota przewidziana została kamera analogowa CCTV o szerokim kącie widzenia, ze zintegrowanym oraz dodatkowym oświetleniem. Na etapie projektu modelu CAD 3D robota, przedstawione zostały możliwe ustawienia pozycji i orientacji mechanizmu jezdnego, wraz z wizualizacją rurociągów różnego typu, do których robot może się dostosować. Minimalna średnica rurociągu poziomego, w którym może się poruszać wynosi Ø210 mm, natomiast ruch w rurociągach pionowych możliwy jest w zakresie teoretycznym średnic od Ø224 mm do Ø270 mm. Zastosowanie metod modelowania 3D pozwoliło na dokładne zaprojektowanie wszystkich podzespołów i stworzenie dokumentacji wykonawczej elementów prototypu na podstawie kompletnego modelu CAD. Rozdział 4 „Modelowanie matematyczne robota” przedstawia opis matematyczny układu jezdnego robota. Na początku poruszony został aspekt analiz kinematycznych i dynamicznych, pozwalających na obliczenie pozycji i orientacji robota oraz momentów napędowych silników podczas ruchu robota na równych powierzchniach. Ze względu na to, że mechanizm układu jezdnego oparty jest na dwóch aktywnie sterowanych pedipulatorach, niezbędnym było stworzenie autorskich modeli matematycznych i algorytmów obliczeniowych do opisu ruchu tych zamkniętych łańcuchów kinematycznych, w celu opracowania układu sterowania. Modelowanie kinematyki ruchu robota zostało przeprowadzone analogicznie do tworzenia modeli pojazdów gąsienicowych, z uwzględnieniem poślizgu, przy założeniu, że układ jezdny ma ustaloną pozycję z równolegle zorientowanymi modułami gąsienicowymi. Wyprowadzono równania zmiany orientacji ramy robota oraz składowych prędkości liniowych względem poszczególnych osi układu odniesienia. Poślizg gąsienic zależny jest od rodzaju podłoża, po którym porusza się robot, a jednoznaczne określenie pozycji i orientacji może być trudne dla powierzchni o zmiennych parametrach. Model dynamiczny ruchu robota opracowany został przy zastosowaniu metod energetycznych, opartych o równania Lagrange’a z użyciem formalizmu Maggi’ego,. 9.

(10) Streszczenie. pozwalających na pominięcie operacji odsprzęgania mnożników Lagrange’a. Do modelowania dynamiki wykorzystano model kinematyki ruchu robota i uwzględniono oddziaływanie środowiska podczas ruchu pod wodą. Parametry modelu otrzymane zostały z projektu CAD robota, a przy użyciu modeli kinematyki i zasad dynamiki otrzymano energię kinetyczną robota. Równania Magii’ego umożliwiły wyprowadzenie zależności opisujących ruch robota pod wodą po powierzchniach płaskich i nachylonych. Uwzględniono w nich siły: wyporu, oporu hydrodynamicznego, oporu poprzecznego, tarcia oraz uciągu kabla zasilającego. Zastosowano w nich równania więzów nieholonomicznych, opisujących ruch pojazdu gąsienicowego. Równania pozwalają na rozwiązanie zadania prostego i odwrotnego dynamiki ruchu robota, natomiast ze względu na zmienność parametrów dynamicznych przy poruszaniu się po różnego typu powierzchniach, za ich pomocą można otrzymać jedynie aproksymację odwzorowania rzeczywistego działania robota. Rurociągi znacząco ograniczają możliwości ruchu robota, przeważnie do jazdy w przód i w tył. W związku z tym, stosowanie poprzednio przedstawionych modeli nie jest niezbędne. Jednakże, do prawidłowego dostosowania mechanizmu jezdnego robota do środowiska pracy, konieczne było opracowanie autorskich modeli kinematyki ruchu pedipulatorów i algorytmów planowania trajektorii, koniecznych do implementacji układu sterowania robota. Pedipulator składa się z sześciu przegubów obrotowych klasy piątej, umożliwiających jedynie obrót względem jednej osi. Mimo przestrzennej struktury, mechanizm może być traktowany jako płaski, w związku z tym, że wszystkie osie obrotu przegubów są równoległe. Ruchliwość zastępczego mechanizmu płaskiego wynosi trzy, stąd możliwe jest zastosowanie trzech napędów do sterowania pozycją i orientacją modułów napędowych. Analiza mechanizmu jako zamkniętego łańcucha kinematycznego jest skomplikowana, ze względu na rozmieszczenie napędów i przegubów. Stąd w modelowaniu wykorzystano metodykę stosowaną powszechnie w robotyce dla otwartych łańcuchów kinematycznych, a dodatkowe warunki pozwoliły na domknięcie łańcucha kinematycznego. Mechanizm pedipulatora został rozdzielony na dwa otwarte łańcuchy manipulatorów płaskich o odpowiednio dwóch i trzech stopniach swobody. Warunek domknięcia pętli kinematycznej zostaje spełniony, gdy końcówki efektorów obydwu manipulatorów płaskich znajdują się w tym samym punkcie w przestrzeni. Równania kinematyki prostej pedipulatorów zostały wyprowadzone przy użyciu notacji Denavita-Hartenberga.. 10.

(11) Streszczenie. Stworzenie i opracowanie metody rozwiązania równań kinematyki odwrotnej dla mechanizmu. pedipulatora. jest. najistotniejszym. elementem. modelowania. matematycznego robota. Obliczenia bazują na numerycznych rozwiązaniach modeli kinematyki odwrotnej, z użyciem Jakobianu manipulatora, warunków zaczerpniętych z rozwiązań analitycznych, warunków domknięcia pętli kinematycznej oraz dodatkowych reguł, dedykowanych do autorskiej konstrukcji mechanizmu. Początkowo opisane zostało rozwiązanie analityczne dla modelu kinematyki odwrotnej manipulatora płaskiego o trzech stopniach swobody, potrzebne do sformułowania warunków dla obliczeń numerycznych. Następnie opisano Jakobiany geometryczne manipulatorów, potrzebne do obliczeń numerycznych kinematyki. W kolejnym kroku przedstawiono metodykę przyjętą do obliczeń numerycznych kinematyki odwrotnej z wykorzystaniem pseudoinwersji oraz transpozycji Jakobianów. Metoda oparta jest na iteracyjnym obliczeniu współrzędnych złączowych przy pomocy minimalizacji różnicy pomiędzy pozą zadaną i estymatą aktualnej pozy, wyrażonej za pomocą sił uogólnionych i. przemieszczeń. wirtualnych. końcówki. efektora.. Dobór. współczynników. proporcjonalności oraz wykonanie transpozycji Jakobianu dla każdej iteracji pozwala na odwzorowanie wymaganych zmian pozy efektora na prędkości złączy mechanizmu. Obliczenia kończone są, gdy prędkości złączowe osiągną odpowiednio niskie wartości. Modele kinematyki prostej i odwrotnej stworzone zostały wyłącznie dla obliczenia otwartych. łańcuchów. kinematycznych. manipulatorów. płaskich,. wydzielonych. z zamkniętego łańcucha pedipulatora. Aby umożliwić sterowanie transformacją pedipulatorów, w celu osiągnięcia zadanych konfiguracji robota, opracowany został autorski algorytm planowania trajektorii, łączący opisywane wcześniej metody oraz stosowane w kolejnych krokach algorytmu warunki, pozwalające na otrzymanie poprawnych rozwiązań. Algorytm, zaimplementowany w środowisku MATLAB, podzielony został na dwa etapy. W początkowym etapie, wykonywanym jednokrotnie, tworzona jest na podstawie modelu CAD, baza danych zawierająca współrzędne złączowe, odpowiadające danym konfiguracjom robota oraz wykonany zostaje podział mechanizmu na dwa otwarte łańcuchy kinematyczne manipulatorów płaskich. W kolejnym etapie, wykonywanym dla każdej transformacji układu jezdnego robota, podawane są pozy początkowe i końcowe pedipulatorów, następnie generowana jest trajektoria dla manipulatora o dwóch stopniach swobody przy pomocy interpolacji wielomianowej współrzędnych złączowych. Przy użyciu równań kinematyki prostej. 11.

(12) Streszczenie. i odwrotnej oraz warunków, dedykowanych do struktury pedipulatora, obliczana jest trajektoria manipulatora o trzech stopniach swobody, który przy zachowaniu minimalnej zmiany orientacji i pozycji modułu gąsienicowego, podąża za manipulatorem o dwóch stopniach swobody, spełniając warunek domknięcia łańcucha kinematycznego. Przy odpowiednim doborze pozy początkowej i końcowej, możliwe jest otrzymanie trajektorii transformacji pedipulatorów. W rozdziale 4 zaprezentowano walidację numeryczną oraz wizualną obliczeń na przykładzie najbardziej użytecznych operacji transformacji układu jezdnego do pracy w rurociągach o różnych rozmiarach, nachyleniu oraz na powierzchniach płaskich. W celu dokładniejszej analizy. możliwości. ruchowych robota podczas. rekonfiguracji mechanizmu jezdnego w rurociągach, stworzone zostały modele matematyczne obejmujące całą strukturę kinematyczną robota w przestrzeni 2D. Dzięki opisowi punktów kontaktu gąsienic z rurociągiem, możliwe było rozwiązanie równań definiujących teoretyczną zmianę średnicy rurociągu podczas transformacji robota. Zastosowane rozwiązanie teoretyczne pozwoliło na wizualizację transformacji układu jezdnego robota w przestrzeni na wykresach trójwymiarowych, sporządzonych w środowisku MATLAB. Stworzone zostały również pełne modele dwuwymiarowe mechanizmu, a trajektorie poszczególnych punktów charakterystycznych złączy zwizualizowane zostały na wykresach trójwymiarowych. Stworzone i zweryfikowane modele matematyczne transformacji pedipulatorów, umożliwiają implementację operacji adaptacji mechanizmu jezdnego w układzie sterowania robota. W rozdziale 5 „Symulacje adaptacji i ruchu robota w różnych przestrzeniach roboczych” przedstawiono przebieg badań symulacyjnych transformacji układu jezdnego oraz ruchu robota, opartych na modelach 3D CAD oraz na implementacji algorytmu planowania trajektorii, opisanego w rozdziale 4. Możliwie wierne odwzorowanie działania prototypu robota w fazie projektowej jest istotnym elementem rozwoju nowych układów w robotyce. Obecnie istnieje wiele platform symulacyjnych, pozwalających na badania własności ruchowych oraz testowanie układów sterowania. Aby wiernie odwzorować model CAD i przyszłe działanie prototypu robota, wybrane zostało środowisko. symulacyjne. V-REP,. dające. możliwość. uruchomienia. symulacji. równoległych z oprogramowaniem MATLAB, gdzie stworzone zostały algorytmy obliczeniowe. W pierwszym etapie, na podstawie modelu 3D CAD, sporządzono model robota w oprogramowaniu V-REP, pozwalający na odwzorowanie działania prototypu.. 12.

(13) Streszczenie. W celu zwiększenia efektywności obliczeniowej symulacji, przy jednoczesnej zgodności wizualnej modelu robota, posłużono się elementami aktywnymi dynamicznie w symulacji multibody oraz ich odpowiednikami wizualnymi. W modelu dynamicznym elementy składają się z uproszczonej siatki trójkątów. Model zawiera również przeguby obrotowe swobodne i napędzane, zgodne ze strukturą mechanizmu. W przegubach napędzanych użyto sterowniki pozycji, z ograniczeniem maksymalnego momentu, odpowiadające działaniu serwomechanizmów, stosowanych w robocie. Hierarchiczna struktura sceny symulacyjnej pozwala na odwzorowanie budowy modelu oraz zamknięcie pętli kinematycznych. Symulacja napędów z gumowymi gąsienicami wymaga zazwyczaj dedykowanego oprogramowania i dużych mocy obliczeniowych, z uwagi na konieczność uwzględnienia odkształceń ostróg gąsienic, natomiast modelowanie poszczególnych segmentów jako brył sztywnych negatywnie wpływa na stabilność symulacji ze względu na dużą ilość punktów styku z podłożem. W celu eliminacji tych niepożądanych zjawisk, napędy gąsienicowe zamodelowane zostały poprzez pięć wałków o kształcie baryłkowym, dających maksymalnie dziesięć punktów styku z powierzchnią. Do symulacji w V-REP, z pośród czterech dostępnych silników obliczeniowych, wykorzystana została biblioteka Bullet, pozwalająca na uzyskanie najbardziej stabilnych wyników. Z uwagi na fakt, że algorytm planowania trajektorii zaprojektowany. został. w. środowisku. MATLAB,. wykorzystano. interfejs. programistyczny aplikacji V-REP remote API link, umożliwiający równoległe działanie programu MATLAB, czy symulacji MATLAB/Simulink razem z oprogramowaniem V-REP. Przeprowadzenie równoległych symulacji pozwoliło na weryfikację trajektorii transformacji układu jezdnego modelu multibody robota, bezpośrednio przy pomocy modeli kinematyki odwrotnej, zaimplementowanych w algorytmie planowania trajektorii. Sterowanie ruchem gąsienic robota poprzez bezpośrednie odziaływanie operatora,. umożliwiono. poprzez. implementację. interfejsu. sprzętowego. z bezprzewodowym urządzeniem typu joystick w modelu symulacyjnym Simulink, połączonym z symulatorem V-REP.. Przeprowadzono badania ruchu robota. w rurociągach poziomych o zmiennej średnicy, połączonych kolanami oraz łącznikami redukcyjnymi. Weryfikacja symulacyjna potwierdziła możliwość transformacji robota wewnątrz rurociągów o różnych średnicach, połączonych łącznikami redukcyjnymi oraz zdolność robota do pokonywania kolan o kątach do 90°. Przeprowadzono również symulacje ruchu robota po równych i nierównych powierzchniach. Weryfikacja. 13.

(14) Streszczenie. symulacyjna algorytmu planowania trajektorii pedipulatorów wykazała zgodność modeli matematycznych z modelem multibody robota. Najbardziej złożonym pod względem implementacji układu sterowania jest ruch w rurociągach pionowych. Wymaga on zapewnienia docisku modułów gąsienicowych do ścian rurociągu, wywieranego przez serwomechanimzmy. pedipulatorów.. Do. badań. symulacyjnych. ruchu. robota. w rurociągach pionowych stworzona została rozszerzona wersja modelu Simulink. Pozwala ona na zdalne sterowanie dociskiem gąsienic za pomocą urządzenia typu joystick. Nacisk wywierany jest dzięki realizacji kolejnych kroków trajektorii pomiędzy pozami pedipulatorów, przeznaczonymi do ruchu w najmniejszej i największej średnicy rurociągach pionowych. Testy symulacyjne wykazały możliwość działania robota w rurociągach pionowych o stałej średnicy, a dodatkowo przeprowadzono próby dostosowania układu jezdnego robota do rurociągu o zmieniającej się średnicy. Taki przypadek może wystąpić, gdy obecne są osady lub zanieczyszczenia powierzchni wewnętrznej rurociągu. Badania symulacyjne przy użyciu specjalnie opracowanych modeli robota, w oprogramowaniu V-REP, MATLAB oraz Simulink dowiodły, że możliwa jest implementacja autorskiego algorytmu planowania trajektorii pedipulatorów do sterowania ruchem prototypu robota w różnego typu rurociągach oraz innych przestrzeniach roboczych. W rozdziale 6 „Projekt i implementacja systemu sterowania” przedstawiono system sterowania robotem, opracowany przy użyciu technik stosowanych w robotach mobilnych, jak również w manipulatorach czy robotach przemysłowych. Opisana została architektura systemu sterowania w aspekcie układów elektronicznych, komunikacji, zasilania, a także implementacji oprogramowania sterownika robota oraz aplikacji operatorskiej. W pierwszej części rozdziału 6, porównano metody używane do sterowania robotami mobilnymi, jak i robotami przemysłowymi. Roboty mobilne mogą być sterowane zdalnie poprzez operatora, który w pełni lub częściowo kontroluje wykonywane przez nie czynności, albo mogą poruszać się w pełni autonomicznie. Ze względu na bardzo zróżnicowane zastosowania robotów mobilnych, układy sterowania dedykowane są do danego rozwiązania konstrukcyjnego. Istotnym aspektem sterowania robotów mobilnych jest nawigacja i lokalizacja w przestrzeni, która może być realizowana przy użyciu czujników i modeli matematycznych ruchu robota. Algorytmy. 14.

(15) Streszczenie. bazują na wcześniej dostarczonych mapach albo wykorzystują techniki symultanicznej lokalizacji i tworzenia mapy SLAM. Nawigacja robotów w rurociągach realizowana jest zazwyczaj za pomocą pomiarów odometrycznych, dostarczanych przez układ napędowy lub w przypadku, gdy konieczne jest stworzenie dokładnej mapy, stosowane są systemy wizyjne i czujniki laserowe, wraz z pomiarami odometrycznymi. Autonomiczny ruch mobilnych robotów inspekcyjnych w rurociągach możliwy jest również bez konieczności tworzenia mapy, z zastosowaniem reaktywnego układu sterowania. W sterowaniu robotów. stacjonarnych,. manipulatorów. przemysłowych,. wykorzystywane. są. w większości dynamiczne modele ruchu, z wykorzystaniem równań Lagrange’a. Zadaniem układu sterowania pozycyjnego jest wykonywanie ruchu ramienia robota pomiędzy zdefiniowanymi pozami końcówki efektora: początkową i końcową. Bardziej zaawansowanym typem sterowania jest podążanie po wcześniej zdefiniowanej trajektorii. Sterowanie robota może być realizowane w przestrzeni złączy lub w przestrzeni zadań. W pierwszym przypadku, gdy nie jest znana dokładna przestrzeń robocza można zadać pozycję i orientację końcówki efektora oraz przy użyciu modeli kinematyki odwrotnej otrzymać trajektorię w przestrzeni złączy. Trajektorie generowane w ten sposób mogą zostać zapisane i później odtworzone przez robota. W drugim przypadku, niezbędna jest implementacja modelu kinematyki odwrotnej w sterowniku robota do obliczania trajektorii podczas wykonywania zadań w przestrzeni roboczej, co wymaga dużych mocy obliczeniowych. Dobór metody sterowania zależy od przeznaczenia robota i typu wykonywanych przez niego zadań. W następnej części rozdziału 6, opisana została struktura sprzętowa i wymagania dotyczące układu sterowania mobilnego robota gąsienicowego. Ze względu na to, że adaptacyjny układ jezdny robota wymaga zastosowania metod sterowania używanych w robotyce mobilnej i przemysłowej, konieczne jest stworzenie systemu pozwalającego na integrację różnych podzespołów ruchowych. W rurociągach występują problemy z komunikacją bezprzewodową, szczególnie przy przesyłaniu dużej ilości danych, takich jak sygnał wideo z kamery CCTV, co sprawia, że robot sterowany jest przewodowo. Zastosowanie napędów gąsienicowych do ruchu po powierzchniach o zmiennych parametrach nie pozwala na otrzymanie precyzyjnych danych odometrycznych, zwłaszcza podczas pokonywania kolan, gdzie występują znaczne poślizgi, stąd zdecydowano się na zdalne sterowanie prędkością gąsienic przez operatora. Najbardziej skomplikowanym zadaniem układu sterowania jest dostosowanie układu jezdnego robota. 15.

(16) Streszczenie. do różnych typów rurociągów. Dlatego zaimplementowany został algorytm obliczeniowy planowania trajektorii pedipulatorów, przedstawiony w rozdziale 4 i zweryfikowany symulacyjnie w rozdziale 5. Sterowanie napędami zrealizowane jest w przestrzeni złączy. Układ komunikacyjny bazuje na interfejsie Ethernet, a robot zasilany jest prądem stałym. Sterowanie przez operatora, analogicznie do testów symulacyjnych, opisanych w rozdziale 5, umożliwia urządzenie bezprzewodowe typu joystick. Sygnał analogowy z kamery, wyświetlany jest po konwersji przy pomocy oprogramowania operatorskiego. W skład systemu sterowania wchodzi dedykowany układ elektroniczny, umieszczony w korpusie robota, przeznaczony do obsługi komunikacji, sterowania pozycjami serwomechanizmów, prędkościami napędów gąsienicowych oraz odczytem danych z czujnika inercyjnego IMU. Układ wyposażono w mikrokontroler o architekturze AVR, osiem kanałów PWM, skonfigurowanych do współpracy z napędami, zasilanie oświetlenia oraz obsługę kamery. Implementacja oprogramowania składa się z dwóch zasadniczych warstw: niskopoziomowego programu sterownika pokładowego robota, napisanego w języku C oraz oprogramowania. operatorskiego. z. graficznym. interfejsem. użytkownika,. opracowanego w języku C++. Oprogramowanie, zaimplementowane na komputerze PC, pozwala na wysyłanie komend do sterownika umieszczonego w korpusie robota oraz wyświetlanie aktualnej pozycji napędów pedipulatorów oraz prędkości zadanej gąsienic. Realizację transformacji układu jezdnego robota umożliwia odtwarzanie trajektorii generowanych przez model matematyczny robota, opracowany w środowisku MATLAB. Dane z czujnika inercyjnego IMU, zapisywane i wyświetlane przez oprogramowanie pozwalają na określenie orientacji korpusu robota w przestrzeni. Przedstawiona implementacja oprogramowania oraz układu zasilania, komunikacji i sterowania robotem umożliwia przeprowadzanie inspekcji wizyjnej w rurociągach o różnych kształtach, wymiarach i orientacji. W rozdziale 7 „Prototyp robota do inspekcji rurociągów” przedstawiono proces wykonania oraz integracji podsystemów prototypu mobilnego robota gąsienicowego. Większość elementów mechanicznych, ze względu na autorski projekt, opracowano w sposób dedykowany dla konstrukcji robota. Elementy aluminiowe oraz ze stali nierdzewnej, stanowiące znaczącą część konstrukcji, wykonane zostały za pomocą technik obróbki numerycznej. W celu ochrony przed czynnikami zewnętrznymi, elementy. aluminiowe. zostały. anodowane.. 16. W. procesie. budowy. prototypu.

(17) Streszczenie. przeprowadzono kalibrację mechanizmów pedipulatorów z serwomechanizmami oraz wykonano uszczelnienia, pozwalające na zastosowanie prototypu w trudnych warunkach środowiskowych. Prototyp robota został wstępnie zweryfikowany i porównany z modelem CAD 3D. Ręczne ustawienie mechanizmów pozwoliło stwierdzić, że konstrukcja jest zgodna z projektem i możliwe będzie podłączenie i integracja prototypu z układami zasilania, komunikacji i sterowania. Układy elektroniczne prototypu wykonane zostały zgodnie z założeniami, a dedykowany sterownik robota przetestowany został pod kątem niezawodności podczas sterowania napędami i komunikacji z oprogramowaniem operatorskim. Pierwsze testy prototypu robota obejmowały ocenę poprawności działania układu jezdnego podczas transformacji do pracy w różnego typu przestrzeniach roboczych. Poza neutralna pedipulatorów robota odpowiada pozycjom serwomechanizmów w połowie ich zakresu ruchu i ustawiana jest po włączeniu zasilania prototypu. Przed umieszczeniem robota w rurociągu lub na powierzchni konieczne jest przeprowadzeni transformacji układu. jezdnego.. Prototyp. robota,. umieszczony. na. specjalnym. stanowisku,. pozwalającym na bezkolizyjny ruch pedipulatorów został przetestowany podczas realizacji trajektorii, otrzymanych przy użyciu modelu matematycznego. Wszystkie transformacje przeprowadzono. w poprawny sposób,. łącznie z ustawieniami. pedipulatorów do ruchu po powierzchniach płaskich oraz w rurociągach pionowych, choć stwierdzono konieczność odpowiedniego doboru pozy początkowej, ze względu na to, że przy zamkniętym łańcuchu kinematycznym nie jest możliwe wykonanie ruchu pomiędzy dowolnymi konfiguracjami. Zjawisko to zaobserwowane zostało wcześniej podczas badań symulacyjnych. W następnym etapie, prototyp robota został sprawdzony podczas ruchu w rurociągach poziomych o stałej średnicy oraz na powierzchniach płaskich. Jednym z najtrudniejszych zadań dla prototypu robota o dwóch napędach gąsienicowych jest ruch w rurociągach pionowych. Podczas testów sprawdzono działanie robota w rurociągu pionowym, dostosowując docisk gąsienic do ścian rury. W tym przypadku należy zauważyć, że autorska konstrukcja prototypu robota jako jedyne rozwiązanie pozwala na ruch jednocześnie po powierzchniach płaskich i rurociągach pionowych, a dostępne na rynku rozwiązania, stosowane mogą być wyłącznie w jednym z wymienionych środowisk. W celu dokładniejszej weryfikacji możliwości ruchowych robota, skonstruowane zostało dedykowane stanowisko testowe, pozwalające na tworzenie różnorodnych konfiguracji odcinków rurociągów. Podczas badań na. 17.

(18) Streszczenie. stanowisku sprawdzono możliwości ruchu robota w kolanach oraz w łącznikach rur o różnych średnicach. Podczas przejazdu w łączniku redukcyjnym ze średnicy Ø300 mm do średnicy Ø242 mm, konieczne jest przeprowadzenie operacji transformacji mechanizmu jezdnego, która została pomyślnie zweryfikowana na prototypie robota. W ramach badań sprawdzono również zdolność robota do przejazdu stanowiska, analogicznego do sceny symulacyjnej, stworzonej w środowisku V-REP, zawierającego kolana oraz łącznik redukcyjny. Aby sprawdzić możliwość opracowania zasilania akumulatorowego robota, przeprowadzono testy pozwalające na oszacowanie zużycia energii przez serwomechanizmy, układy elektroniczne oraz napędy gąsienicowe. Testy umożliwiły określenie teoretycznego czasu pracy robota na zasilaniu akumulatorowym oraz dostarczyły danych do projektu zmodyfikowanej wersji prototypu. W ostatniej części rozdziału 7, przedstawiono modyfikację prototypu systemu inspekcyjnego, pozwalającą lepiej dostosować robota do wdrożenia w przemyśle. Na bazie eksperymentów przeprowadzonych na pierwszej wersji, zdecydowano o zmianie sposobu komunikacji na interfejs szeregowy, wykorzystujący protokół RS-485. Pozwoli to na wydłużenie zasięgu robota. Zdecydowano również o podwyższeniu napięcia zasilania prototypu i dostosowaniu układów zasilających do pracy w terenie, bez dostępu do napięcia sieciowego. Opracowana oraz wykonana została również nowa wersja układu elektronicznego sterownika pokładowego, zapewniająca oprócz wcześniej omawianej funkcjonalności, pomiar natężenia prądu pobieranego przez każdy z napędów, obsługę precyzyjnego inklinometru do badania nachylenia rurociągu, regulację zdalną oświetlenia oraz dodatkowe zabezpieczenia. W robocie zamontowano również przetwornicę napięcia DC-DC, umożliwiającą zastosowanie przewodu sterowniczego z wyższym napięciem, o długości przekraczającej 100 m. Prototyp robota został dostosowany w celu usprawnienia wdrożenia do pracy w warunkach przemysłowych poprzez integrację podsystemów i wprowadzenie wszystkich poprzednio wymienionych modyfikacji. W rozdziale 8 „Dyskusja, wnioski i dalsze prace”, zamieszczono podsumowanie zagadnień poruszonych w rozprawie doktorskiej oraz opisano dalsze prace, które pozwoliłyby na rozszerzenie funkcjonalności mobilnego robota przeznaczonego do inspekcji rurociągów. W ramach wniosków, zebrano najważniejsze osiągnięcia opisane w kolejnych rozdziałach rozprawy oraz podsumowano metodykę badawczą prowadzącą do opracowania projektu, modeli matematycznych, implementacji systemu sterowania oraz wykonania i walidacji eksperymentalnej autorskiego. 18. mobilnego robota.

(19) Streszczenie. gąsienicowego z adaptacyjnym układem mechanizmu jezdnego, przeznaczonego do inspekcji wizyjnej rurociągów. Stwierdzono również, że teza pracy została udowodniona. W. ramach. dalszych. prac. zaproponowano. opracowanie. elementów. konstrukcyjnych, dających perspektywę zwiększenia zakresu ruchu robota w rurociągach o większych średnicach. Możliwym jest również zamontowanie w robocie kamery z głowicą obrotową i funkcją zbliżenia optycznego lub innych czujników, przeznaczonych. do. badań. nieniszczących. struktury. rurociągów.. Stworzenie. automatycznego sytemu regulacji siły docisku gąsienic do ścian rurociągów, opartego na pomiarach natężenia prądu pobieranego przez serwomechanizmy, pozwoliłoby na wykonywanie inspekcji w rurociągach pionowych o zmiennej średnicy. Kolejnym aspektem dalszych prac może być opracowanie systemu nawigacji oraz inwentaryzacji rurociągów,. a. także. zaprojektowanie. i. wykonanie. wodoszczelnego. panelu. operatorskiego. Produkcja seryjna mobilnych robotów inspekcyjnych, opartych na projekcie, przedstawionym w rozprawie doktorskiej, wymagałaby dostosowania metod wytwarzania elementów w celu optymalizacji kosztów i czasu wykonania prototypu robota, a także dostosowania całości systemu do potrzeb inwestorów. Prace przedstawione w rozprawie doktorskiej pozwoliły na rozwiązanie problemu badawczego w aspekcie projektowania, modelowania, sterowania, wykonania i implementacji mechatronicznego sytemu mobilnego robota do inspekcji rurociągów.. 19.

(20) Acknowledgements. Acknowledgements Firstly, I would like to thank my supervisor dr hab. inż. prof. nadzw. AGH Mariusz Giergiel for his support in formulation and investigation of research problems that I had to face during elaboration of this dissertation.. Secondly, I would like to thank my co-supervisor dr hab. inż. Tomasz Buratowski, who helped me to solve design problems, modeling issues, supported elaboration of the experiments and publications of the results, presented in this dissertation.. I express my thanks to The National Centre for Research and Development NCBiR that supported design and development of the prototype, during the research project N N501 054440 “Zastosowane sztucznej inteligencji w mechatronicznym projektowaniu gąsienicowych robotów inspekcyjnych.". I would like to thank prof. dr hab. inż. Tadeusz Uhl for his support in building of the prototype and promotion of the project.. I would like to thank members of the Department of Robotics and Mechatronics, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, AGH for their help in experimental validation of the prototype.. I would like to thank my family for their great support and patience during realization of my doctoral studies, building and testing of the prototype and elaboration of this dissertation.. This dissertation was elaborated in cooperation with the Center of Energy, AGH University of Science and Technology.. 20.

(21) Contents. Contents Abstract..............................................................................................................3 Streszczenie ........................................................................................................5 Acknowledgements .......................................................................................... 20 Contents ........................................................................................................... 21 List of figures ...................................................................................................24 List of tables .....................................................................................................29 List of acronyms .............................................................................................. 30 Nomenclature...................................................................................................32 1. Introduction............................................................................................... 36 1.1. Aim and scope ............................................................................................................. 36 1.2. Thesis ........................................................................................................................... 38 1.3. Organization of the dissertation ................................................................................. 38. 2. Robotic inspection of pipelines .................................................................40 2.1. Mobile inspection robots ............................................................................................. 40 2.2. Inspection of pipelines ................................................................................................. 44 2.2.1. Pipe defects ......................................................................................................................... 44 2.2.2. Pipe inspection methods ....................................................................................................... 45. 2.3. Mobile robots for pipeline inspection ......................................................................... 49 2.3.1. Outside of pipe inspection .................................................................................................... 50 2.3.2. In-pipe inspection robots ...................................................................................................... 51 2.3.3. Vertical in-pipe inspection ................................................................................................... 53. 2.4. Summary...................................................................................................................... 55. 3. Design of a pipeline inspection mobile robot with an active adaptation mechanism ...................................................................56 3.1. Mechanical structure .................................................................................................. 56 3.2. Actuators ..................................................................................................................... 58 3.3. Inspection equipment .................................................................................................. 59 3.4. Operation environments ............................................................................................. 59. 21.

(22) Contents 3.5. Complete robot model ................................................................................................. 61 3.6. Summary...................................................................................................................... 62. 4. Mathematical modeling of the robot ........................................................ 63 4.1. Kinematic model of the robot motion on even surfaces ............................................. 63 4.2. Dynamic model of the robot motion on even surfaces ............................................... 66 4.3. Kinematic model of the pedipulators .......................................................................... 71 4.3.1. Forward kinematics.............................................................................................................. 72 4.3.2. Inverse kinematics ............................................................................................................... 75. 4.4. Trajectory calculation algorithm for pedipulators transformation........................... 85 4.5. Pedipulators forward kinematics for robot motion in pipes ...................................... 95 4.6. Summary.................................................................................................................... 102. 5. Simulations of the robot adaptation and motion in various environments .............................................................................. 103 5.1. Introduction .............................................................................................................. 103 5.2. Robot models in MATLAB and V-REP software .................................................... 104 5.3. Horizontal pipe run ................................................................................................... 109 5.4. Motion on even and rough surfaces .......................................................................... 111 5.5. Vertical pipe run ....................................................................................................... 113 5.6. Summary.................................................................................................................... 118. 6. Control system design and implementation ........................................... 119 6.1. Introduction .............................................................................................................. 119 6.2. Control and navigation of mobile robots .................................................................. 119 6.3. Control of arm-type robots ....................................................................................... 124 6.4. General structure of the pipe inspection robot control system ................................ 126 6.5. Electronic control board ........................................................................................... 129 6.6. Software implementation .......................................................................................... 130 6.7. Summary.................................................................................................................... 132. 7. Prototype of the pipe inspection robot ................................................... 133 7.1. Development and construction of the prototype ...................................................... 133 22.

(23) Contents 7.2. Prototype comparison with the CAD model ............................................................. 135 7.3. Electronic components and control system of the robot .......................................... 136 7.4. Laboratory tests of the prototype ............................................................................. 137 7.4.1. Pedipulator mechanism reconfiguration .............................................................................. 137 7.4.2. Tests in different environments .......................................................................................... 140 7.4.3. Experiments on a dedicated test rig .................................................................................... 141 7.4.4. Transformation of the prototype in pipes ............................................................................ 143 7.4.5. Laboratory tests in an environment analogous to V-REP simulation .................................... 143 7.4.6. Measurements of power consumption ................................................................................. 144. 7.5. Enhanced version of the prototype ........................................................................... 150 7.5.1. Control system upgrade...................................................................................................... 151 7.5.2. Electronic control board ..................................................................................................... 152 7.5.3. Upgraded prototype of the robotic inspection system .......................................................... 155. 7.6. Summary.................................................................................................................... 157. 8. Discussion, conclusions and future work ............................................... 158 8.1. Discussion and conclusions ....................................................................................... 158 8.2. Future work............................................................................................................... 160. References ...................................................................................................... 162. 23.

(24) List of figures. List of figures Figure 2.1. Wheeled mobile robots: (a) indoor mobile robot - KRIM, AGH; (b) IBIS robot - PIAP [90]; (c) Ultralight Mobile Drilling System - AGH, CBK PAN. ....................................................... 42 Figure 2.2. Tracked mobile robots: (a) SDR LT2/F Bulldog robot [103]; (b) SANDIA Gemini Scout robot [45]; AGH University Underwater tank inspection robot [18]........................................ 43 Figure 2.3. Other types of ground mobile robots: (a) Toshiba tetrapod robot [49]; (b) NASA RoboSimian robot [47]; (c) Boston Dynamix RHex robot [8]. ......................................................... 44 Figure 2.4. Pipe defects [78]: (a) coating defect of a cement water line; (b) corroded steel pipe; (c) gas pipeline deformation. ................................................................................................................ 45 Figure 2.5. Pipe blockage: (a) a metal pipe microbiologically influenced corrosion [75]; (b) formation of sediments [78]; (c) pipe walls penetrated by roots [88]. ............................................... 45 Figure 2.6. Pipe inspection CCTV cameras: (a) Inuktun Mini Crystal Cam constant focus camera [55]; (b) IPEK RCX 90 Pan-Tilt-Zoom camera [58]; (c) IBAK RapidView Pan-Tilt-Zoom camera with an adjustable arm for pipe branches [53]. ..................................................................... 47 Figure 2.7. NDT inspection methods: (a) Olympus Cobra outside pipe scanner [87]; (b) Magnetic Flux Leakage method - scheme [79]; (c) “Pig” probe with an array of MFL sensors [93].................. 48 Figure 2.8. Laser profiling of pipes: (a) robotic laser profiling [80]; (b) 3D model of a pipe [94]............ 49 Figure 2.9. Horizontal in-pipe inspection robots: (a) ABE CT-400 wheeled inspection robot with a PTZ camera [1]; (b) Inuktun Vesatrax 300 tracked robot [92]........................................................ 52 Figure 2.10. Horizontal in-pipe inspection robots: (a) CUES Ultra Shorty 21 [32]; (b) a snake-like robot with 16 links [15]................................................................................................................... 53 Figure 2.11. Vertical in-pipe inspection robots: (a) Inuktun Versatrax Vertical [85]; (b) Neovision Jetty robot [85]; (c) the AQAM robot [73]. ...................................................................................... 54 Figure 3.1. Pedipulator mechanism [41]: 1 – track drive module; 2 – front driven ring; 5 – rear driven ring; 3, 6 – sprockets; 4 – front arm; 7 – rear driven arm; angle;. f1. – front ring (2) rotation angle;. r3. r1. – rear ring (5) rotation. – rear arm (7) rotation angle with respect to the. track drive module (1)..................................................................................................................... 57 Figure 3.2. Robot CAD model ‒ general view: 1 ‒ robot body; 2 ‒ front arm; 3 ‒ rear arm; 4 ‒ front rotating ring; 5 ‒ rear rotating ring; 6 ‒ track drive module. ..................................................... 58 Figure 3.3. Operation environments – front view: (a) Ø210 mm pipe; (b) Ø350 mm pipe; (c) rectangular duct 230 mm wide. ....................................................................................................... 60 Figure 3.4. Operation in horizontal pipes: (a) Ø210 mm; (b) Ø315 mm. ................................................ 60 Figure 3.5. Parallel extension of the tracks: a) minimum; b) maximum. ................................................. 61 Figure 3.6. Operation in vertical pipes: (a) Ø224 mm; (b) Ø270 mm. ................................................... 61 Figure 3.7. Complete robot model: 1 – track drive module; 2 – robot body; 3 – front rotating ring; 4 – rear rotating ring; 5 – front arm; 6 – rear arm; 7 – camera; 8 – light; 9 – waterproof connector........................................................................................................................................ 61 Figure 4.1. Kinematic model of the robot motion on even surfaces. ....................................................... 64 Figure 4.2. Dynamic model of the robot - forces acting on the robot. ..................................................... 66. 24.

(25) List of figures Figure 4.3. Dynamic model of the robot - forces acting on the robot on an inclined surface. .................. 66 Figure 4.4. Kinematic scheme of the left pedipulator. Division of the kinematic chain into a rear 3-DOF manipulator (red) and a front 2-DOF manipulator (blue). ..................................................... 72 Figure 4.5. Scheme of the 3-DOF planar manipulator: geometric solution to the inverse kinematics problem......................................................................................................................... 76 Figure 4.6. Scheme of the 3-DOF manipulator inverse kinematics – numerical solution......................... 83 Figure 4.7. Flowchart of the trajectory calculation algorithm for the pedipulators transformation. .......... 89 Figure 4.8. Pedipulator transformations for horizontal pipes – drives positions, velocities and accelerations: (a) from the neutral pose to a Ø210 mm pipe; (b) from the neutral pose to a Ø242 mm pipe; (c) from the neutral pose to a Ø300 mm pipe; (d) from a Ø300 mm pipe to a Ø242 mm pipe. ............................................................................................................................... 90 Figure 4.9. Pedipulator transformations for vertical pipes – drives positions, velocities and accelerations: (a) from the neutral pose to a Ø224 mm pipe; (b) from the neutral pose to a Ø242 mm pipe; (c) from the neutral pose to a Ø270 mm pipe; (d) from a Ø224 mm pipe to a Ø270 mm pipe. ............................................................................................................................... 92 Figure 4.10. Pedipulator transformations for horizontal surfaces – drives positions, velocities and accelerations: (a) from the neutral pose to the horizontal surface middle pose; (b) from the neutral pose to the horizontal surface – low pose; (c) from the neutral pose to the horizontal surface – high pose; (d) from a horizontal Ø300 mm pipe to the horizontal surface low pose. ........... 93 Figure 4.11. Kinematic model of the two assembled pedipulators during transformation (white color - free joints, yellow color - actuated joints): (a) the neutral pose; (b) a pose for motion in a Ø242 mm horizontal pipe; (c) a pose for motion on a horizontal surface; (d) a pose for motion in a Ø270 mm vertical pipe. ................................................................................................ 94 Figure 4.12. Extended model of the pedipulators with the track contact points....................................... 95 Figure 4.13. Visualization of the robot transformation trajectory in a horizontal pipe with diameter change from Ø300 mm to Ø210 mm: (a) 2D view; (b) 3D view. ........................................ 98 Figure 4.14. Visualization of the robot transformation trajectory from a Ø210 mm horizontal pipe to a horizontal surface: (a) 2D view; (b) 3D view. ........................................................................... 99 Figure 4.15. Visualization of the robot transformation trajectory in a vertical pipe with diameter change from Ø224 mm to Ø270 mm: (a) 2D view; (b) 3D view. ...................................................... 99 Figure 4.16. Pedipulators transformation trajectory from the neutral pose to a Ø210 mm horizontal pipe: (a) initial pose; (b) final pose. ............................................................................................... 100 Figure 4.17. Pedipulators transformation trajectories from a Ø300 mm horizontal pipe to a horizontal surface, through an intermediate pose: (a) step 1; (b) step 2; (c) step 3; (d) step 4........... 100 Figure 4.18. Pedipulators transformation trajectory from the neutral pose to a Ø224 mm vertical pipe: (a) initial pose; (b) final pose. .............................................................................................. 101 Figure 4.19. Pedipulators transformation trajectories in vertical pipes: (a) Ø224 mm; (b) Ø270 mm. .............................................................................................................................................. 101 Figure 5.1. Overview of the V-REP Application Programming Interface [28]. ..................................... 104. 25.

(26) List of figures Figure 5.2. V-REP model of the pipe inspection robot: (a) visible bodies; (b) dynamically enabled bodies (green color) with joints (blue-orange color). ...................................................................... 105 Figure 5.3. Hierarchical structure of the pipe inspection robot model created in V-REP. ...................... 106 Figure 5.4. The MATLAB/Simulink model used for hardware interaction and communication with the V-REP simulator. .................................................................................................................... 108 Figure 5.5. V-REP model of the pipe inspection robot: (a) simulation environment of a horizontal pipe run; (b) the robot negotiating a 90° bend in a Ø300 mm pipe; (c) the robot negotiating a 30° bend in a Ø242 mm pipe. ........................................................................................................ 109 Figure 5.6. V-REP simulation of the robot reconfiguration in a reducer from a DN315 pipe to a DN250 pipe: (a) the robot in a Ø300 mm pipe segment; (b) the robot in the reducer; (c) the robot after reconfiguration in a Ø242 mm pipe. ............................................................................. 110 Figure 5.7. V-REP and MATLAB simulations – transformation results comparison and absolute positioning error: (a) from the neutral pose to a Ø300 mm horizontal pipe; (b) from a Ø300 mm pipe to a Ø242 mm pipe. ........................................................................................................ 111 Figure 5.8. V-REP simulation of the robot reconfiguration: (a) the robot in the neutral pose located on a support; (b) the robot on a horizontal surface after reconfiguration to the horizontal high pose. ............................................................................................................................................. 112 Figure 5.9. V-REP and MATLAB simulations - transformation results comparison and absolute positioning errors: from the neutral pose to the horizontal high pose. ............................................. 112 Figure 5.10. V-REP simulation of the robot motion in rough terrain: (a) the robot after driving uphill; (b) downhill motion of the model. ...................................................................................... 113 Figure 5.11. V-REP model of the pipe inspection robot: simulation scene of a vertical pipe run. .......... 113 Figure 5.12 V-REP model of the pipe inspection robot during motion in vertical pipes: (a) Ø270 mm; (b) Ø224 mm. ....................................................................................................................... 114 Figure 5.13 V-REP and MATLAB simulations – transformation results comparison and absolute positioning errors: (a) from the neutral pose to a Ø224 mm vertical pipe; (b) in a vertical pipe with diameter change from Ø224 mm to Ø270 mm. ...................................................................... 115 Figure 5.14 V-REP and MATLAB simulations – transformation results comparison and absolute positioning errors: (a) from a Ø270 mm vertical pipe to a Ø224mm vertical pipe; (b) maintaining constant pose in a Ø270 mm vertical pipe................................................................... 115 Figure 5.15 Torques of the positioning servomotors during the V-REP simulation in a Ø242 mm vertical pipe. ................................................................................................................................. 116 Figure 5.16 Torques of the positioning servomotors during the V-REP simulation in a Ø270 mm vertical pipe. ................................................................................................................................. 117 Figure 5.17 V-REP model of the pipe inspection robot during reconfiguration in a vertical pipe: (a) initial diameter Ø224 mm; (b) final diameter Ø238 mm............................................................ 117 Figure 5.18 Torque of the positioning servomotors during a V-REP simulation of the robot reconfiguration in a vertical pipe with smooth diameter change from Ø224 mm to Ø242 mm. ........ 118 Figure 6.1. Pipe navigation – mapping techniques: (a) visual odometry after sparse reconstruction [46]; (b) 3D render of a reconstructed pipe model [46]; (c) 3D point cloud of a pipe [51]. .............. 123. 26.

(27) List of figures Figure 6.2. Joint space control – general scheme. ................................................................................ 125 Figure 6.3. Task space control – general scheme. ................................................................................ 126 Figure 6.4. Control system architecture of the pipe inspection robot. ................................................... 128 Figure 6.5. Design requirements of the robot on-board controller. ....................................................... 129 Figure 6.6. The electronic control board located in the robot body – a 3D model of the PCB. ............. 130 Figure 6.7. The robot control software – main window [109]. ............................................................. 132 Figure 7.1. Aluminum parts of the robot - anodized: (a) arm elements; (b) track mounts; (c) body elements; (d) half of the robot body assembly with a rubber seal. ................................................... 134 Figure 7.2. Assembly process of the robot body: (a) calibration of the servomotors with the ring drives gear transmissions; (b) the assembled robot body. ............................................................... 134 Figure 7.3. Comparison of the CAD model and the prototype – pedipulators poses for horizontal pipes: Ø210 mm (a) CAD model, (b) prototype; Ø300 mm (c) CAD model, (d) prototype.............. 135 Figure 7.4. Comparison of the CAD model and the prototype – pedipulators poses for horizontal surfaces: (a) the CAD model; (b) the prototype. ............................................................................. 136 Figure 7.5. Comparison of the CAD model and the prototype – pedipulators poses for vertical pipes: (a) Ø250 mm – the CAD model; (b) Ø270 mm – the prototype; (c) Ø224 mm – the prototype. ..................................................................................................................................... 136 Figure 7.6. Transformations of the prototype pedipulators – attained poses: (a) neutral; (b) for motion on horizontal surfaces or rectangular pipes and ducts; (c) for motion in Ø210 mm horizontal pipes; (d) for motion in Ø315 mm horizontal pipes. ...................................................... 138 Figure 7.7. Transformations of the prototype pedipulators for motion in vertical pipes: (a) Ø224 mm; (b) Ø270 mm. ....................................................................................................................... 139 Figure 7.8. Transformations of the prototype pedipulators – graphical overlap of selected trajectory steps: (a) for horizontal pipes; (b) for vertical pipes. ....................................................... 139 Figure 7.9. Prototype of the robot in work environments: (a) a horizontal surface; (b) a Ø250 mm horizontal pipe. ............................................................................................................................. 140 Figure 7.10. Prototype of the robot in a Ø250 mm vertical pipe: (a) initial test of the tracks extension; (b) downward motion; (c) upward motion. ................................................................... 141 Figure 7.11. Dedicated test rig for the pipe inspection robot. ............................................................... 141 Figure 7.12. Prototype of the robot during operation in a Ø242 mm vertical pipe – motion phases: (a) initial; (b) intermediate; (c) final. ............................................................................................. 142 Figure 7.13. Prototype of the robot negotiating a 90° elbow in a Ø300 mm pipe – motion phases: (a) initial; (b) intermediate; (c) final. ............................................................................................. 142 Figure 7.14. Transformation of the robot prototype in a pipe with a reducer from Ø300 mm to Ø242 mm: (a) initial pose - Ø300 mm pipe; (b), (c) intermediate poses; (d) final pose - Ø300 mm pipe. ...................................................................................................................................... 143 Figure 7.15. Tests of the prototype: (a) the test rig; (b) the robot in a DN250 pipe; (c) the robot after completion of the test run. ..................................................................................................... 144 Figure 7.16. Measurements of power consumption – test environments: a) a flat surface; b) pipes. ...... 144. 27.

(28) List of figures Figure 7.17. Instantaneous power measured during 10 runs of the robot prototype in a horizontal pipe with diameter Ø242 mm. ....................................................................................................... 146 Figure 7.18. Instantaneous power measured during 10 runs of the robot prototype on a horizontal surface. ......................................................................................................................................... 147 Figure 7.19. Instantaneous power measured during 10 runs of the robot prototype in vertical pipe with diameter Ø242 mm. .............................................................................................................. 147 Figure 7.20. Instantaneous power consumption in various operation environments – selected runs: (a) on a flat surface; (b) in a Ø242 mm horizontal pipe; (c) in a Ø242 mm vertical pipe.................. 148 Figure 7.21. Mean power consumption of the prototype subsystems: (a) tracks; (b) positioning servomotors and control electronics. ............................................................................................. 149 Figure 7.22. Normal distribution curve fits for mean power consumption of the robot drives (from left to right for operation: in a Ø242 mm horizontal pipe, on a flat surface, in a Ø242 mm vertical pipe)................................................................................................................................. 149 Figure 7.23 Estimated mean operating time of the robot prototype on the selected battery power supply. ......................................................................................................................................... 150 Figure 7.24. Scheme of the upgraded control system architecture. ....................................................... 152 Figure 7.25. Requirements for an improved electronics controller PCB and for a power supply PCB. ............................................................................................................................................ 153 Figure 7.26. The second version of the electronics control board – a 3D model. .................................. 154 Figure 7.27. Enhanced version of the control system – prototypes: (a) the main controller PCB; (b) the DC-DC converter and power supply PCB. .......................................................................... 154 Figure 7.28. Upgraded prototype of the robot: (a) the DC-DC converter in a dedicated compartment; (b) the assembled robot prototype with a new tether cable and an aluminum waterproof connector. ................................................................................................................... 155 Figure 7.29. Enhanced version of the robotic pipe inspection system. .................................................. 156 Figure 7.30. Verification of the enhanced prototype: (a) a corrugated Ø315 mm drain pipe; (b) a DN315 T-junction – Ø300 mm internal diameter. .......................................................................... 156. 28.

(29) List of tables. List of tables Table 4.1 Denavit-Hartenberg parameters for the 2-DOF manipulator .................................................. 74 Table 4.2 Denavit-Hartenberg parameters for the 3-DOF manipulator .................................................. 74 Table 4.3. Denavit-Hartenberg parameters for the track contact point p5a. ............................................. 96 Table 4.4. Denavit-Hartenberg parameters for the track contact point p5b.............................................. 96 Table 4.5. Constant parameters of the pedipulator mechanism............................................................... 96 Table 5.1. Parameters of the V-REP simulations. ................................................................................ 106. 29.

(30) List of acronyms. List of acronyms 2D – Two-Dimensional 3D – Three-Dimensional AC – Alternating Current API – Application Programming Interface CAD – Computer Aided Design CAM – Computer-Aided Manufacturing CCTV – Closed-Circuit TeleVision CNC – Computer Numerical Control CSV – Comma Separated Value DC – Direct Current DH – Denavit-Hartenberg notation DOF – Degrees Of Freedom EDM – Electro-Discharge Machining EKF – Extended Kalman Filter FIR – Finite Impulse Response (filter) GIS – Geographic Information System GPS – Global Positioning System IMU – Inertial Measurement Unit IP address– Internet Protocol address IP rating – Ingress Protection rating IR camera – InfraRed camera LED – Light Emitting Diode LIDAR – LIght Detection And Ranging MATLAB – MATrix LABoratory (software by MathWorks) MFL – Magnetic Flux Leakage NDE – Non-Destructive Evaluation NDT – Non-Destructive Testing PC – Personal Computer PCB – Printed Circuit Board PD controller– Proportional-Derivative controller PID controller – Proportional-Integral-Derivative controller PMMA – Poly-Methyl MethAcrylate 30.