Modelowanie i sterowanie mobilnego robota gąsienicowego do inspekcji
rurociągów
W rozprawie doktorskiej przedstawiony został nowatorski mobilny robot gąsienicowy do inspekcji rurociągów poziomych i pionowych o różnych kształtach i wymiarach oraz innych trudno dostępnych miejsc w obiektach przemysłowych. Układ jezdny robota oparty jest o opatentowany mechanizm składający się z dwóch pedipulatorów o zamkniętym łańcuchu kinematycznym, napędzanych sześcioma serwomechanizmami, ustawiającymi pozycję i orientację napędów gąsienicowych. W pracy przedstawiono modele kinematyki i dynamiki ruchu robota po równych powierzchniach. Do sterowania adaptacyjnym układem jezdnym robota, opracowano autorski algorytm planowania trajektorii pedipulatorów, oparty o model 3D robota oraz o analityczne i numeryczne metody kinematyki prostej i odwrotnej. Działanie algorytmu zweryfikowano za pomocą wielodziedzinowych symulacji równoległych w oprogramowaniu MATLAB/Simulink i V-REP. System sterowania robota zaprojektowano przy użyciu integracji metod stosowanych w robotyce mobilnej i przemysłowej. Opisano dedykowany układ elektroniczny sterownika napędów, komunikacji i systemów sensorycznych robota wraz z niskopoziomową aplikacją jak i oprogramowaniem operatorskim do obsługi ruchu i adaptacji układu jezdnego oraz wizualizacji danych inspekcyjnych. Przedstawiono prototyp robota z uwzględnieniem integracji podzespołów mechanicznych, elektrycznych, elektronicznych, sensorycznych i sterowania. Zweryfikowano eksperymentalnie funkcjonalność prototypu oraz zdolność adaptacji układu jezdnego do zmiennego środowiska pracy, co w pełni potwierdza jego skuteczne działanie.
In this dissertation, a novel tracked mobile robot is presented that is indented for inspection of horizontal and vertical pipelines of various sizes and shapes or other hardly accessible places in industrial facilities. Structure of the robot is based on a patented mechanism composed of two pedipulators with closed kinematic chains that are driven by six sevomotors, used for adjusting position and orientation of track drive modules. The work includes kinematic and dynamic models of the robot motion on even surfaces. To control the adaptive chassis of the robot, an original trajectory planning algorithm is developed that utilizes a 3D model, analytical and numerical methods of forward and inverse kinematics. Validation of the algorithm is shown with use of multi- domain co-simulations in MATLAB/Simulink and V- REP software with addition of custom rules. Control system of the robot is developed by integration of methods applied for mobile robots and arm-type robots. Design of a custom electronic board is shown with focus on motor control, communication and sensors. Software development includes a low-level application for the onboard controller and a high-level operator program for motion control, adaptation of the robot chassis and visualization of inspection data. 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 functionalities of the prototype and ability of the motion unit to adapt to changing work conditions that fully prove efficient operation of the robot.
