Rørsystemer spenner fra rette, horisontale strekninger med konstant diameter, til komplekse strukturer med hjørner, T-ledd, vertikale forgreininger og varierende diameter. I tillegg til dette forekommer hindringer i form av ventiler eller måleinstrumenter, og avleiringer og urenheter er kjente problemer.

SINTEF IKT utvikler nå en ny type rørinspeksjonsrobot i stand til å håndtere dette komplekse miljøet. Hensikten er å gi industriaktører bedre innsikt i tilstanden til egne prosesser og systemer, for enklere og tidligere å kunne oppdage uregelmessigheter eller årsaker som fører til, eller vil kunne føre til redusert ytelse, prosessvikt eller i verste fall fysiske ødeleggelser.

Roboten har fått tilnavnet PiKo, etter ”Pipe inspecting Konda”, og er en del av SINTEF Anvendt Kybernetikks tredje generasjon slangeliknende roboter (se Anna Konda og Aiko for foregående generasjoner).

Fremdrift

PiKo består av et sett identiske moduler koblet sammen med en spesiell type gafler. Figur 1 viser en slik modul.

 
Figur 1                                                             Figur 2

To moduler koblet sammen med en gaffel er illustrert i figur 2. For å bevege seg fremover har hver modul en motor som gir fremdrift til hjulparene avbildet. De to hjulparene (øverst og nederst på figur 1) vil dreie i motsatt retning, noe som tillater PiKo å ”presse seg” fremover.

I tillegg, og kanskje mest sentralt ved roboten, er at hver modul også kontrollerer vertikal og horisontal vinkel i forhold til sine nabomoduler – vi sier den har aktive ledd med to frihetsgrader. Dette gjør PiKo til en spesielt fleksibel robot; velegnet til en rørstrukturs avlange, smale form. Den kan dermed utføre krappe svinger, klatre vertikalt, unngå hindringer og eventuelt motstå strømninger i et rørsystem.

Horisontalt beveger PiKo seg relativt likt med et tog. Hver modul følger etter hverandre på linje. Vertikalt er bevegelsen noe annerledes. PiKo vil da forsøke å spenne seg opp i rørveggen, som denne animasjonen viser, ved å vekselvis presse mot rørets ”tak” og ”gulv”. De spesielle gaflene mellom modulene vil selv merke om, og hvor hardt, PiKo trykker mot veggen. Etter å ha spent seg opp vil den på vanlig måte kjøre fremover ved hjuldrift.

Strukturen i en modul

Figur 3 viser en illustrasjon av den indre strukturen i en modul. I grove trekk består den av motorer, gir for å få riktig forhold mellom kraft og hastighet og diverse drivverk for å overføre kraften fra motorene til hjul og leddarmer. Figur 5 viser en ferdig produsert modul.

   
Figur 3                                                 Figur 4                                      Figur 5

Hver modul har også en styringsenhet, som vist i figur 4. Dette er et kretskort som styrer de ulike motorene og leser av informasjon om omverdenen gjennom sensorer. Hver modul kan kommunisere med de andre modulene, og med robotens hjerne, gjennom en kommunikasjonsbuss som går gjennom hele roboten. Systemet likner kommunikasjonssystemet man kan finne på en moderne bil.

Hodet

Hodet til PiKo er den første modulen på kroppen. Det er i hodet beregninger og vurderinger angående veivalg og liknende foregår. Det sitter også et spesielt kamera i hodet: Et 3D-kamera. Dette kameraet kan, i tillegg til å ta vanlige bilder, også fortelle avstanden til hvert punkt i bildet, og spiller en sentral rolle i å tolke omverdenen for PiKo. Kameraet og algoritmer utviklet ved SINTEF avdeling for Optiske Målesystemer og Dataanalyse kan i samarbeid fortelle hvordan røret ser ut på innsiden, og danne et kart over hvor det er svinger, avstikkere og liknende.

Hodet kan også kommunisere med omverdenen, slik at en operatør kan styre den. Operatøren kan gi PiKo kommandoer som å velge røravstikkeren til høyre/venstre, fortsette rett frem, stoppe når noe uventet er oppdaget, eller lignende. Kommunikasjonen med omverdenen foregår via et IP-grensesnitt, noe som i teorien vil si at en operatør kan sitte på en hvilken som helst datamaskin (hvor som helst i verden) og styre PiKo.

Den komplette prototypen

En sammenkoblet prototyp stod ferdig februar 2009, og er vist i figuren under. I sin nåværende form kan roboten kjøre både i horisontale og vertikale rørstrukturer.

Figurene under viser to eksperimenter utført med robotprototypen. Det ene viser opptegnede felter som skal tilsvare en typisk sving i et rør. Poenget med eksperimentet er at roboten skal holde hele kroppen innenfor feltene under svingmanøveren. I det andre eksperimentet spenner roboten seg opp inne i røret og klatrer opp og ned i røret mens det holdes fritt i luften.

Klatrekonseptet er også illustrert i følgende figur.

Følg denne lenken for å se en video av PIKo i aksjon.

Tekniske data

• Total lengde: ca. 1 meter
• Vekt: ca. 6 kg
• Antall frihetsgrader: 8
• Vinkelutslag per modul: +/- 60 grader
• Aktuatorprinsipp: Elektromotorer
• Leddmoment per modul per frihetsgrad: 11 Nm
• Operasjonshastighet: 0.2 m/s

Videre utfordringer

PiKo er en forskningsrobot under utvikling. Fokus for forskningen er i denne omgang på fremdrift og veivalg i rør. Det vil samtidig si at utfordringer knyttet til miljøpåvirkninger som trykk, temperatur eller fuktighet ikke er adressert.

Kontaktperson ved SINTEF Anvendt Kybernetikk: Aksel A. Transeth