Труборобот – инструмент диагностики повреждений

XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Труборобот – инструмент диагностики повреждений

Беляев А.В. 1
1МБОУ "Лицей №1" округа Муром Владимирской области
Смайловских Ю.А. 1
1МБОУ «Лицей №1» округа Муром Владимирской области
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Среди огромного количества роботов, придуманных человечеством [1, 2], особое место занимают роботы, используемые для обследования, диагностики и ремонта различных трубопроводов. Разумеется, назначение трубопровода оказывает самое существенное влияние на конструкцию и режимы функционирования таких роботов.

В основном, роботы этого направления создаются коллективами серьезных научных организаций. Среди найденных, на страницах всемирной паутины конструкций таких роботов, с удивлением можно обнаружить, практически полное отсутствие моделей таких систем, построенных детьми с помощью роботизированных конструкторов.

Неужели построение специализированных роботов и их моделей возможно только в условиях серьезных научных лабораторий и промышленных предприятий?

Название исследования: «Труборобот – инструмент диагностики повреждений».

Актуальность исследования: результаты исследования позволят повысить интерес людей к сборке автономных роботов в области диагностики трубопроводов.

Цель исследования: изучение возможности разработки и сборки робота для движения по трубам, а также анализа повреждений с использованием элементов роботизированного конструктора.

Задачи исследования:

  1. Найти информацию о специальных типах роботов.

  2. Изучить историю создания и область применения таких роботов.

  3. Собрать прототип специального робота и испытать его.

  4. Сделать выводы на основе исследований.

Объект исследования: роботы специального назначения.

Предмет исследования: модель труборобота.

Гипотеза: в домашних условиях можно собрать прототип электронного устройства для диагностики повреждений в трубопроводах на основе LEGO MINDSTORMS и LEGO SYSTEM [3].

Методы исследования: чтение книг, самостоятельное обдумывание, фотографирование, наблюдение, сравнение и просмотр фильмов.

1. Литературный обзор

1.1 История появления

Впервые роботы для проведения диагностики трубопроводов появились в России в 2005 году. Уже тогда они обладали способностью перемещаться как по ровным, так и по криволинейным проложенным трубопроводам. Многие предприятия газовой и нефтяной отраслей взяли на вооружение эти разработки. Они позволили выявлять различные дефекты, которые могли привести к серьезным авариям.

Очередным этапом развития этого направления робототехники было появление робота для сварочных работ. Этот робот, в том числе, принимал активное участие в работах на Билибинской АЭС в условиях воздействия радиации.

Успешно наши роботы применялись и за пределами страны. Эти работы проводились на: АЭС Cooper (США, штат Небраска), газопроводах и нефтепроводах (США, штат Калифорния), а также системах газоснабжения (США, г. Нью-Йорк) [4].

1.2 Причины создания специализированных роботов

В нашей стране, как и во всем мире, находятся в эксплуатации огромное количество трубопроводов различного вида и назначения. По таким трубопроводам транспортируются готовые товары, а также вещества необходимые для выработки электроэнергии.

Это трубопроводное хозяйство нуждается в постоянном обслуживании и проверке, так как аварии приводят к серьезным экономическим и социальным последствиям. Большая часть трубопроводов находится в труднодоступных для человека местах: на высоте, под землей, под водой. Проверка и обследование таких объектов сильно затруднена и даже опасна.

Использование роботов позволит существенно упростить процесс проверки подобных систем, в том числе расположенных в труднодоступных районах, а также в условиях воздействия на человека опасных факторов. Кроме того, использование роботов позволит защитить человека от риска проведения опасных работ: высота и опасная среда.

Причинами аварий на трубопроводах являются различные факторы, приведенные на Рисунке П.1 [5, 6].

Анализируя эти причины, и сопоставляя их с возможностями современных роботизированных систем, можно сделать вывод о том, что наиболее целесообразно применение роботов для выявления следующих причин: брак строительно-монтажных работ, производственные дефекты, коррозия.

Указанные причины, в процентном соотношении, составляют более половины от общего числа причин, ведущих к авариям.

Уже много сделано для внедрения робототехники в области проверки деятельности трубопроводных систем, однако существует и ряд нерешённых проблем [7]: способность роботов обходить препятствия, уверенное передвижение робота по различным поверхностям, автономное движение робота, навигация робота в сложных условиях, автоматический анализ результатов контроля.

1.3 Выводы по литературному обзору

Литературный анализ показал, что роботы в трубопроводной области важный, удобный и обоснованный элемент диагностики. Особенно ярко преимущества роботов проявляются в труднодоступных, вредных и опасных условиях размещения трубопроводов.

2. Создание прототипа труборобота

Изучение вопроса построения специализированных роботов, позволило мне сделать вывод о том, что его построение возможно, как в классных, так и в домашних условиях.

В рамках исследовательской деятельности было решено смоделировать и сконструировать в домашних условиях прототип труборобота на основе деталей конструкторов LEGO MINDSTORMS и LEGO SYSTEM, предназначенный для диагностики повреждений трубопровода.

Задачи конструирования труборобота: продумать план создания модели труборобота, собрать модель труборобота, запрограммировать собранную модель труборобота, испытать собранную модель труборобота.

Проектирование робота было решено провести в несколько этапов. На первом этапе было решено сконструировать модель специализированного робота (далее – «робот»), способного передвигаться внутри труб. На втором этапе проводилось программирование робота для различных режимов его применения. На третьем этапе проводилось испытание модели робота в условиях близких к реальным.

При сборке моделей и устройств были использованы:

  • элементы конструктора LEGO MINDSTORMS 51515 [8] – 1 к-т.,

  • элементы конструктора LEGO SYSTEM – 1 к-т.,

  • труба канализационная диаметром 110 мм – 2 шт.

  • планшет (ОС: Android) – 1шт.

Также, было использовано следующее программное обеспечение:

  • LEGO MINDSTORMS INVENTOR (ОС: Android) – оригинальная среда программирования, для набора LEGO MINDSTORMS 51515.

2.1 Первый этап. Конструирование

Цель: конструирование робота, способного передвигаться внутри трубопровода.

Анализ имеющихся материалов по вопросу конструкции специализированных роботов показал, что единого подхода к конструированию нет. Основные особенности конструкции такого робота должны отражать цель его назначения. Движение робота по трубам предусматривает соизмеримые размеры робота с трубой, по которой предстоит движение, а также специализированный двигатель.

Рассмотрение стандартных конструкций роботов на основе конструкторов LEGO, показал отсутствие таких решений. Единственное упоминание о подобных задачах, решаемых с помощью конструктора LEGO, было найдено в источнике [9]: это робот-скалолаз для дымоходов. Этот робот движется по трубам прямоугольного сечения. Нас же интересуют трубы круглого сечения. Отработав несколько вариантов конструкции [10], был выбран оптимальный, для движения со сравнительно небольшой скоростью, по трубопроводу круглого сечения с диаметром трубы 110 мм. Схема разрабатываемого робота приведена на рисунке П.2. Мой робот состоит из следующих блоков:

  1. Блок двигателя – это двигатели для движения с установленными колесами, а также опорное устройство в задней части. Блок двигателя состоит из двух частей: модуля движения и модуля опоры. Модуль движения собирается из двух средних моторов 54696c01, соединённых рамкой 64179. На моторах установлены два колеса 4185/2815. В верхней части моторов, на специальных кронштейнах, установлены еще два колеса 4185/2815 в качестве опор. Модуль опоры собран из балок, образующих шестиугольник, который вписывается во внутренний размер трубы. На одной из сторон шестиугольника установлены три штанги из балок. Каждая штанга опирается на шестиугольник с использованием амортизатора 731с01. На внешней стороне каждой балки установлено колесо 56903/61254.

  2. Блок датчиков – это датчики цвета и отраженного света, объединённые в один блок. Он построен на основе двух датчиков цвета и освещенности 37308c01. Датчики установлены на балках и направлены в противоположных направлениях.

  3. Блок управления датчиками – это двигатель и механическая система передачи движения на блок датчиков. Блок управления датчиками состоит из мотора 54696c01, поворотного стола 18938/18939, шестерни 32269 и оси 7L 44294.

  4. Блок контроллера управления – это основной блок управления роботом и место для хранения программы. Блок контроллера управления построен на базе хаба 67718c01/67704c01. На нем установлены балки для крепления других модулей и блоков. Дополнительно, для защиты проводов используются панели различной формы (24119, 62531).

Вышеперечисленные блоки и модули объединяются в единую конструкцию робота. Фото готового робота приведено на рисунке П.3.

Вывод: в результате конструирования разработана и собрана модель робота, способного передвигаться внутри трубопровода. Робот способен двигаться в трубе диаметром 110 мм.

2.2 Второй этап. Программирование

Цель: разработать алгоритм движения робота и запрограммировать его.

Для разработки алгоритма необходимо определить перечень задач, которые будет решать сконструированный робот: плавное (возможно, прерывистое) движение робота в трубе, сканирование с помощью датчиков внутренней поверхности трубы, при выявлении повреждения запись его координат в память, либо трансляция на пульт оператора, ручное и автоматическое движение робота.

Исходя из перечня поставленных задач, было принято решение написать две независимые программы: первая для ручного управления, вторая для автоматического движения робота. Отдельные элементы алгоритма отрабатывались на примере языка Scratch [11].

2.2.1 Программа «Ручное управление»

Средствами программного продукта Lego Mindstorms Inventor возможно создание программного пульта управления. На нем размещены: джойстик 1- для движения робота вперед/назад, джойстик 2 - для управления поворотом блока датчиков, индикаторы работы датчиков.

Текстовый алгоритм движения робота: робот помещается в трубу, запускается программа, джойстиком 1 управляем движением робота внутри трубы, джойстиком 2 управляем поворотом блока датчиков, по индикаторам делается вывод о размерах и протяженности повреждений.

2.2.2 Программа «Автоматическое движение»

Автоматический режим движения должен копировать действия оператора и фиксировать обнаруженные дефекты трубы. Координаты повреждений удобно записывать в виде: расстояния от начала трубы и градуса размещения (за 0О принят верх трубы, за 180О низ трубы). Загруженная в робот программа, приведена на рисунке П.4.

Текстовый алгоритм движения робота: робот помещается в трубу, запускается программа, робот начинает прерывистое движение: движение на 2см, остановка, поворот датчиков, при обнаружении повреждения в список записывается информация о координатах повреждения.

Вывод: труборобот запрограммирован в соответствии с разработанными алгоритмами. Созданы две программы движения труборобота.

2.3 Третий этап. Испытания

Цель: провести испытания сконструированного робота.

Для целей испытаний был выбран отрезок канализационной трубы. Предварительно в трубе были размещены метки, имитирующие повреждение коррозией внутри трубы. Труба была установлена на горизонтальной поверхности. Робот помещен внутрь трубы (рисунок П.5).

Запускается выполнение программы «Ручное управление». Используя пульт управления, подаем команду роботу для движения и поворота блока датчиков. По показаниям индикаторов судим о наличии повреждений в трубе.

Запускается выполнение программы «Автоматическое движение». Наблюдается движение робота внутри трубы визуально и по показаниям индикатора на пульте управления. Робот движется по трубе и фиксирует положение повреждений в список (рисунок П.6).

Вывод: труборобот испытан в условиях близких к реальным. Прототип передвигается по трубе, находит повреждения и передаёт результаты наблюдения на пульт оператора. Прототип труборобота выполнил поставленные задачи.

2.4 Выводы по результатам создания прототипа труборобота

Успешно собран, запрограммирован и испытан прототип труборобота. Технические решения, примененные при моделировании, могут быть использованы для усовершенствования конструкции действующих образцов.

3. Заключение

Мне очень понравилось исследование, связанное с конструированием робота. Проанализировав собранную информацию, я понял, что специализированные роботы способны существенно облегчить труд человека особенно в сложных и опасных условиях.

Работа актуальна, так как получилось создать и испытать прототип труборобота, способного передвигаться по трубам и находить повреждения в них. Среди положительных моментов использования роботов в трубопроводах, следует отметить: экономические выгоды использования, защита человека от вредных и опасных факторов и удобный вывод данных. Среди отрицательных моментов, следует отметить: определённая сложность при проектировании и программировании, а также периодическое обслуживание роботизированных систем квалифицированными специалистами.

Гипотеза подтвердилась. Изучение специальных роботов можно произвести в домашних или классных условиях. Существует возможность создания моделей специализированных роботов даже с использованием детских робототехнических конструкторов.

Наиболее перспективными предполагаются следующие практические варианты применения результатов настоящего исследования:

  • максимальное внедрение автономных роботов,

  • разработка роботов, способных двигаться по вертикальным трубам и поворачивать под значительными углами поворота труб,

  • разработка роботов для обследования наружной поверхности труб.

Летом продолжу свое исследование в области робототехники. Было бы интересным построение роботов, способных общаться между собой. В качестве примера, можно привести одновременное обследование трубы трубороботом для внутренних работ и роботом для обследования наружной поверхности трубы.

Результаты такого взаимодействия, я считаю, позволили бы существенно улучшить результаты обследования. Необходимо уделить внимание вопросу разделения одного сложного и дорогого робота, на несколько более простых, а значит и более дешевых роботов. Экономический показатель также должен быть учтён при проектировании специализированных роботов.

4. Список использованных источников и литературы

  1. Виды роботов и автономных интеллектуальных систем, применяемых в современном мире [Электронный ресурс]/ РоботПортал – 2024г. – Режим доступа: https://robotportal.ru/zanimatelnaya-robototehnika/vidy-robotov, свободный.

  2. Роботы - Робопедия (Роботы и беспилотники) [Электронный ресурс]/ РобоТрендс – 2024г. – Режим доступа: http://robotrends.ru/robopedia/roboty, свободный.

  3. Lego. [Электронный ресурс]/ LEGO Group. – 2024г. – Режим доступа: https://www.lego.com, свободный.

  4. Роботы в трубопроводах [Электронный ресурс]/ Первый инженер – 2024г. – Режим доступа: https://1-engineer.ru/robotyi-v-truboprovodah/, свободный.

  5. Анализ аварийности на объектах нефтегазовой отрасли [Электронный ресурс]/ Молодой ученый – 2024г. – Режим доступа: https://moluch.ru/archive/411/90471/, свободный.

  6. Трубопроводный транспорт России [Электронный ресурс]/ Википедия – 2024г. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/, свободный.

  7. Контроль технологических трубопроводов роботами [Электронный ресурс]/ Нова78 – 2024г. – Режим доступа: https://nova78.ru/ispolzovaniya-robototehniki-dlya-kontrolya-tehnologicheskih-truboprovodov/, свободный.

  8. Робот-изобретатель [Электронный ресурс]/ Лего – 2024г. – Режим доступа: https://www.lego.com/ru-ru/product/robot-inventor-51515, свободный.

  9. NeXT Робот-скалолаз [Электронный ресурс]/ ROBOTSQUARE – 2024г. – Режим доступа: https://robotsquare.com/2012/02/15/next-chimney-climber/, свободный.

  10. Исогава Й., Большая книга идей Lego Technic. Техника и изобретения/Йошихито Исогава; [пер. с англ. О.В. Обручевой]. – Москва: Эксмо, 2018. – 328 с.: ил. – (Подарочные издания. Компьютер).

  11. Торгашева Ю., Программирование для детей. Мои первые программы на Scratch. – СПб.: Питер, 2018. – 96 с.: ил. – (Серия «Вы и ваш ребенок»).

Приложение. Иллюстрации к работе

Рисунок П.1 – Причины аварий на трубопроводах

Рисунок П.2 – Схема конструируемого робота

Рисунок П.3 – Общий вид сконструированного робота

Рисунок П.4 – Текстовые блоки программы «Автоматическое движение»

Рисунок П.5 – Размещение робота в трубе

Рисунок П.6 – Результат работы программы «Автоматическое движение»

Просмотров работы: 29