نشریه مهندسی مکانیک ایران

نشریه مهندسی مکانیک ایران

مدل سازی دینامیکی حرکت ربات خودمختار برای بازرسی خطوط لوله در شرایط مختلف هندسی

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان
1 مهندس ارشد واحد نگهداری و تعمیرات خطوط لوله مارون، شرکت بهره‌ برداری نفت و گاز مارون (MOGC)، اهواز، ایران/ کارشناسی ارشد، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز، اهواز، ایران
2 استاد، دانشکده مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
چکیده
در پژوهش حاضر، به کمک نرم افزارهای آدامز و متلب، یک ربات خودمختار هفت درجه آزادی چرخدار با مکانیزم انطباق با قطر لوله غیرفعال و بهره مند از کنترلر فازی جهت هدایت مسیر حرکتی، طراحی و شبیه سازی شد. سیستم کنترلی این ربات مشتمل بر دو ورودی بوده است که عبارتند از اختلاف سرعت مطلوب و سرعت واقعی حرکت ربات (خطا) و آهنگ تغییر آن (شتاب) و نیز یک خروجی، که ولتاژ موتورهای جریان مستقیم است. در این پژوهش بواسطه طراحی کنترلر فازی، شبیه سازی دینامیکی حرکت ربات در شرایط هندسی مختلف نظیر، لوله های مستقیم و عمودی، زانویی، لوله دارای کاهنده، رسوبات و خوردگی بررسی گردید که نتایج بدست آمده نشان می دهد، ربات مدل سازی شده توانسته از درون لوله های استاندارد با قطر 32-20 اینچ و نیز لوله های دارای تغییر قطر و یا زانویی 90 درجه با شعاع انحناء بین 763-408 میلی متر با موفقیت عبور نماید. بعلاوه استفاده از فنر به جای موتور در طراحی این ربات، به منظور انطباق پذیری با قطر لوله، راهکاری در جهت کاهش هزینه های تولید بوده است. لذا این ربات به جای بهره گیری از یک موتور و دو کنترلر مجزا (یکی برای تنظیم مکانیسم انطباق با قطر لوله و دیگری جهت تامین گشتاور چرخ های ربات)، توانسته تنها با استفاده از یک کنترلر نیز، حرکت خود را پیش براند و از این منظر پتانسیل های اقتصادی جهت ساخت نمونه واقعی، تجاری سازی محصول و پاسخگویی به نیاز برخی صنایع کشور را به نمایش گذارده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]        D. Lee, J. Park, D. Hyun, G. Yook, and H.-S. Yang, "Novel Mechanisms and Simple Locomotion Strategies for an In-pipe Robot that Can Inspect Various Pipe Types," Mechanism and Machine Theory, Vol. 56, pp. 52-68, 2012, https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2012.05.004.
 
[2]        B. John, and M. Shafeek, "Pipe Inspection Robots: A Review," in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Second Global Conference on Recent Developments in Computer and Communication Technologies (GC-RDCT 2022) 27/07/2022 - 29/07/2022, Mangalore, India, Vol. 1272, No. 1: IOP Publishing, p. 012016, https://doi.org/10.1088/1757-899X/1272/1/012016.
 
[3]        G. A. Bekey, "Autonomous Robots: from Biological Inspiration to Implementation and Control", MIT Press, Hardcover,  577 pages, 2005, ISBN 0262025787.          
 
[4]        S. S. Ge, and F. L. Lewis, "Autonomous Mobile Robots: Sensing, Control, Decision Making and Applications," Automation and Control Engineering, CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton, FL, 2006, https://doi.org/10.1201/9781315221229.
[5]        C. Rusu, and M. O. Tatar, "Adapting Mechanisms for In-pipe Inspection Robots: A Review," Applied Sciences, Vol. 12, No. 12, p. 6191, 2022, https://doi.org/10.3390/app12126191.
 
[6]        T. Okada, and T. Sanemori, "MOGRER: A Vehicle Study and Realization for In-pipe Inspection Tasks," IEEE Journal on Robotics and Automation, Vol. 3, No. 6, pp. 573-582, 1987, https://doi.org/10.1109/JRA.1987.1087149.
 
[7]        Y. Kawaguchi, I. Yoshida, H. Kurumatani, T. Kikuta, and Y. Yamada, "Internal Pipe Inspection Robot," in Proceedings of 1995 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1: IEEE, pp. 857-862, 21-27 May, 1995,  Nagoya, Japan, https://doi.org/10.1109/ROBOT.1995.525390.
 
[8]        J. Park, D. Hyun, W.-H. Cho, T.-H. Kim, and H.-S. Yang, "Normal-force Control for an In-pipe Robot According to the Inclination of Pipelines," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 12, pp. 5304-5310, 2010, https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2095392.
 
 [9]       A. M. Bertetto, and M. Ruggiu, "In-pipe Inch-worm Pneumatic Flexible Robot," in 2001 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Proceedings (Cat. No. 01TH8556), Vol. 2: IEEE, pp. 1226-1231, 08-12 July, 2001, Como, Italy,  https://doi.org/10.1109/AIM.2001.936886.
 
 
[10]      W. Neubauer, "A Spider-like Robot That Climbs Vertically in Ducts or Pipes," in Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS'94), Vol. 2: IEEE, pp. 1178-1185, 12-16 September, 1994, Munich, Germany,  https://doi.org/10.1109/IROS.1994.407465.
 
[11]      Z. Hu, and E. Appleton, "Dynamic Characteristics of a Novel Self-drive Pipeline Pig," IEEE Transactions on Robotics, Vol. 21, No. 5, pp. 781-789, 2005, https://doi.org/10.1109/TRO.2005.852258.
 
[12]      Y. Zhang, and G. Yan, "In-pipe Inspection Robot with Active Pipe-diameter Adaptability and Automatic Tractive Force Adjusting," Mechanism and Machine Theory, Vol. 42, No. 12, pp. 1618-1631, 2007, https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2006.12.004.
 
[13]      T. Miyagawa, and N. Iwatsuki, "Characteristics of In-pipe Mobile Robot with Wheel Drive Mechanism using Planetary Gears," in 2007 International Conference on Mechatronics and Automation, IEEE, pp. 3646-3651, 05-08 August, 2007,  Harbin, China, https://doi.org/10.1109/ICMA.2007.4304152.
 
[14]      J. Alizadeh Niaki, and M. Maghsodi Akbari, "The Principles and Theory of Industrial Piping," PIPING, 1nd Ed., Positive Publications, Tehran, 2017.
 
[15]      F. Esmaeilzadeh, D. Mola, and M. Asemani, "Modeling of Ball-running Operations in Gas Pipelines," The 10th National Congress of Chemical Engineering of Iran, Shiraz, 2005.
 
[16]      H. Qi, X. Zhang, H. Chen, and J. Ye, "Tracing and Localization System for Pipeline Robot," Mechatronics, Vol. 19, No. 1, pp. 76-84, 2009, https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2008.06.001.
[17]      K. H. Koh, M. Farhan, K. P. C. Yeung, D. C. H. Tang, M. P. Y. Lau, P. K. Cheung, and K. W. C. Lai, "Teleoperated Service Robotic System for On-site Surface Rust Removal and Protection of High-rise Exterior Gas Pipes," Automation in Construction, Vol. 125, p. 103609, 2021, https://doi.org/10.1016/j.autcon.2021.103609.
 
[18]      J. Liang, J. R. McCusker, G. G. Ma, L. Munson, and C. Chen, "Sewage Pipeline Inspection Tool & Robot," in American Society for Engineering Education (ASEE-NE), Wentworth Institute of Technology, Massachusetts, April 22, 2022, pp. 36027, DOI: 10.18260/1-2--42200.
 
[19]      A. Kadkhodaei, and R. Hasanzadeh Ghasemi, "Inspection of Undersea Oil and Gas Pipelines by New Variable Thrust Vector Underwater Robotic Platform," Journal Of Marine Engineering, Vol. 12, No. 24, pp. 127-133, 2017, http://marine-eng.ir/article-1-505-en.html.
 
[20]      J. Park, T. Luong, and H. Moon, "Development of a Wheel-type In-pipe Robot using Continuously Variable Transmission Mechanisms for Pipeline Inspection," Biomimetics, Vol. 9, No. 2, p. 113, 2024, https://doi.org/10.3390/biomimetics9020113.
 
[21]      E. Khajevandi Rad, and M. Vahabi, "Nonlinear Adaptive Control of a 6 DOF Biped Robot," Modares Mechanical Engineering, Vol. 18, No. 34. pp. 406-416, 2018, http://mme.modares.ac.ir/article-15-3601-en.html.
 
[22]      H. A. Yavasoglu, I. Unal, A. Koksoy, K. Gokce, and Y. E. Tetik, "Long-range Wireless Communication for In-line Inspection Robot: 2.4 km On-site Test," Sustainability, Vol. 15, No. 10, p. 8134, 2023, https://doi.org/10.3390/su15108134.
 
[23]      S. Kazeminasab, and M. K. Banks, "Smartcrawler: A Size-adaptable In-pipe Wireless Robotic System with Two-phase Motion Control Algorithm in Water Distribution Systems," Sensors, Vol. 22, No. 24, p. 9666, 2022, https://doi.org/10.3390/s22249666.           
 
 [24]     C. Rizzo, T. Seco, J. Espelosín, F. Lera, and J. L. Villarroel, "An Alternative Approach for Robot Localization Inside Pipes using RF Spatial Fadings," Robotics and Autonomous Systems, Vol. 136, p. 103702, 2021, https://doi.org/10.1016/j.robot.2020.103702.
 
[25]      D. Lu, Y. Zhang, Z. Gong, and T. Wu, "A SLAM Method Based on Multi-robot Cooperation for Pipeline Environments Underground," Sustainability, Vol. 14, No. 20, p. 12995, 2022, https://doi.org/10.3390/su142012995.
 
[26]      A. Gunatilake, S. Kodagoda, and K. Thiyagarajan, "Battery-free UHF-RFID Sensors-based SLAM for In-pipe Robot Perception," IEEE Sensors Journal, Vol. 22, No. 20, pp. 20019-20026, 2022, https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3204682.
 
[27]      R. Worley, K. Ma, G. Sailor, M. M. Schirru, R. Dwyer-Joyce, J. Boxall, T. Dodd, R. Collins, and S. Anderson, "Robot Localization in Water Pipes using Acoustic Signals and Pose Graph Ooptimization," Sensors, Vol. 20, No. 19, p. 5584, 2020, https://doi.org/10.3390/s20195584.
 
[28]      J. Zhang, X. Niu, A. J. Croxford, and B. W. Drinkwater, "Pipe Inspection using Guided Acoustic Wave Sensors Integrated with Mobile Robots," NDT & E International, Vol. 139, p. 102929, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2023.102929.
 
[29]      S. Kazeminasab, and M. K. Banks, "Towards Long-distance Inspection for In-pipe Robots in Water Distribution Systems with Smart Motion Facilitated by Particle Filter and Multi-phase Motion Controller," Intelligent Service Robotics, Vol. 15, No. 3, pp. 259-273, 2022, https://doi.org/10.1007/s11370-022-00410-0.

  • تاریخ دریافت 21 خرداد 1402
  • تاریخ بازنگری 01 تیر 1403
  • تاریخ پذیرش 02 مرداد 1403