Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Facultatea de Mecanică Catedra: Mecanisme, Mecanică Fină şi Mecatronică

PROGRAM IDEI ID_1056 Tipul proiectului: Proiect de cercetare exploratorie

Contract nr. 85/2007 Planul Naţional de Cercetare, Dezvoltare şi Inovare - PN II

MODELAREA, SIMULAREA ŞI REALIZAREA UNOR FAMILII DE SISTEME ROBOTIZATE PENTRU INSPECŢIE

ŞI EXPLORARE

RAPORT DE CERCETARE

Etapa unica 2008 PROIECTAREA SI REALIZAREA PRINCIPALELOR SUBANSAMBLE DIN STRUCTURA SISTEMELOR ROBOTIZATE DE INSPECTIE IN TEVI SI

EXPLORARE

Director de proiect: Conf. Dr. Ing. Tătar Mihai Olimpiu

Membri: Şef lucr. dr. Ing. Rusu Călin Şef lucr. dr. Ing. Teuţan Emil Asist. Drd. Ing. Besoiu Sorin

Drd. Ing. Lungu Ion

2008

Introducere

Problemele diverse datorate îmbătrânirii ţevilor, a coroziunii acestora, precum şi a apariţiei crăpăturilor determină o creştere a activităţilor de inspecţie, întreţinere şi reparare. Realizarea acestor activităţi de către operatorii umani necesită cheltuieli substanţiale. De aceea utilizarea roboţilor pentru întreţinerea ţevilor este una din soluţiile cele mai atractive în acest moment. Inspecţia în ţevi este relevantă şi pentru îmbunătăţirea securităţii şi eficienţei în mediul industrial. Problemele majore întâmpinate în proiectarea acestor sisteme robotizate au în centrul atenţiei sistemul de locomoţie, sursa de energie, comunicarea şi instrumentaţia necesară realizării sarcinilor propuse. O categorie distinctă din acest domeniu o constituie sistemele robotizate pentru inspecţie şi explorare modularizate ce au structura adaptabilă la forma şi dimensiunile ţevii. În aceasta etapa sunt proiectate si realizate modulele a trei sistemele robotizate pentru inspecţie şi explorare modularizate. Aceste sisteme modularizate au în componenţă module motoare realizate din mecanisme cu elemente articulate şi module pasive. 1. MODULE MOTOARE ŞI PASIVE PENTRU SISTEMELE MODULARE DE INSPECŢIE ŞI EXPLORARE

Primul modul motor Primul modul motor este compus din trei mecanisme cu elemente articulate dispuse la 120˚

în jurul axei longitudinale. Forţa cu care mecanismul din structura modulului motor acţionează asupra peretelui ţevii este generată cu ajutorul unui arc extensibil. Arcul extensibil elicoidal dispus pe axul central asigură revenirea structurii modulului motor în cazul variaţiilor diametrului ţevii inspectate. Propulsia modulului motor este realizată prin utilizarea a trei roţi motoare.

Roţile motoare sunt antrenate în mişcarea de rotaţie prin intermediul unor reductoare melc-roată melcată de trei motoare de curent continuu. Roţile sunt prevăzute cu bandaj din poliuretan.

Deplasarea modulului motor se poate realiza în ambele sensuri în ţeavă. Elementele componente ale primului prototip de modul motor de inspecţie în ţevi modelat şi realizat sunt prezentate în figura 1.1 (Anexa 1).

a)

b)

c) d)

Fig. 1.1 Modelarea 3D în ţeavă a modulului motor (prototip 1) şi elementele componente din structura sa (a, b). Fotografia modulului motor (c, d)

Elementele componente sunt (Fig. 1.1 b): 1 – arc elicoidal 6 – motor 2 – element culisant 7 – suport motor – element pârghie 3 – melc 8 – pârghie 4 – roată melcată 9 – ax central 5 – suport motor si melc 10 – roata Elementele componente din structura modulului motor au lungimile 301 =h [mm],

702 =h [mm], 1353 =h [mm], ( CFhDEBChOAh ==== 321 ,, ), roţile au razele r = 25 [mm], lăţimea 17 [mm], iar unghiul θ este cuprins între 15 ÷ 60 [°].

Elementele sunt realizate din aluminiu iar axul central din oţel. Masa primului modul motor împreună cu firele de acţionare este de 987 [g]. Modulul motor poate realiza inspecţii în ţevi orizontale şi verticale cu diametre cuprinse între 140 - 200 [mm]. Viteza de deplasare a modulului motor prin ţeavă depinde de turaţia motoarelor de antrenare.

Notând cu nM turaţia motorului de antrenare şi cu nR turaţia roţii motoare din expresia raportului de transmitere:

12inni

R

MMR == (1)

se obţine turaţia la roţile motoare ale modulului motor:

MR nzzn

2

1= (2)

Transmisia melc-roată melcată utilizată în structura modulului motor este prezentată în figura 1.2. Melcii au un început (z1 = 1), modulul m = 0,6 [mm], unghiul de înclinare al spirelor θ = 4 [°] iar roţile au z2 = 52 dinţi si unghiul de înclinare al dinţilor β = 4 [°].

a) b)

Fig. 1.2 Transmisia melc-roată melcată utilizată în structura modulului motor: a) Modelare 3D; b) Fotografia transmisiei

In funcţie de necesitaţi motorul si transmisia poate fi uşor schimbată (Fig. 1.3 a).

a) b)

c) d)

Fig. 1.3 Modelarea 3D în ţeavă a modulului motor utilizind un motor cu reductor (prototip 1)

Înălţimea modulului motor se poate determina cu relaţia (Fig. 1.4a):

)cos(222 2 θhdrH ++= , (3) unde s-a notat cu r raza roţilor, iar d este distanţa EE’ (EE’= d = 10 [mm]).

E1 B1

F1

O1

A1

C1D1

H

O1

OO2

A2

B2

D2

E2

F2 C2

h1

h2

h3

2θE’ B’

a)

E B

F

5O

A

1

3 2

0

C4D 67

E’ B’

2θ

h1

h2

h3

b)

Fig. 1.4 Schema structurală a primului modului motor şi mecanismul elementar din structura sa

Înălţimea maximǎ şi minimǎ a modulului motor se obţine în funcţie de unghiul θ şi lungimile elementelor h1 şi h2, pe baza relaţiilor:

)cos(22 minmax/2maxmin/ θhdrH ++= , (4) unde minθ si maxθ sunt valorile maxime şi minime ale unghiului θ .

Modulul motor poate realiza inspecţii în ţevi orizontale şi verticale cu diametre cuprinse între 140 - 200 [mm]. Variaţia înălţimii modulului motor în funcţie de unghiul θ este prezentată în figura 1.5.

Fig. 1.5 Variaţia înălţimii modulului motor în funcţie de unghiul θ

Al doilea prototip de modul motor

Utilizând o structură asemănătoare dar, cu un singur motor şi o transmisie cu trei roţi dinţate cu dinţi înclinaţi s-a proiectat şi realizat prototipul prezentat în figura 1.6, (Anexa 2).

E1

B1

F1

O1

A1

C1D1

O1

OO2

A2

B2

E2

F2C2

h1

h2

h3

2θ

B’ME

D2

G1

G2

R

a)

E1

B1

F1

O1

A1

C1D1

O1

h1

h2

h3

2θ

B’ME

G1

R0

b)

c) d)

e) f)

Fig. 1.6 Schema structurală a modulului motor (prototip 2) (a), mecanismul dintr-un plan din structura sa (b) modelarea 3D (c,d) şi fotografia sa (e,f)

Roţile au razele r = 25 [mm], lăţimea 7 [mm], elementele componente au lungimile:

301 =h [mm], 702 =h [mm], 1353 =h [mm], ( CFhDEBChOAh ==== 321 ,, ) şi unghiul θ cuprins între 15÷ 60 [°]. Masa modulului motor împreună cu firele de acţionare este de 550 [g]. Acest prototip de modul motor este mai compact din punct de vedere constructiv şi utilizează un singur motor de curent continuu pentru acţionare, dispus pe axul central. Transmiterea mişcării de la motorul de antrenare la roţile motoare ale modulului motor se realizează utilizând trei transmisii cu roţi dinţate (Fig. 1.7 d).

E1

D1

ME

G1

1

2

3

4

nM

nR

R

a) b) c)

d)

Fig. 1.7 Transmisia cu roţi dinţate din structura modulului motor (prototip 2): a) schema structurală, b) modelul 3D c), d) fotografia transmisiei

• 1 – melc (z1 = 1, modulul m = 0,75 mm, unghiul de înclinare al spirelor melcului θ = 4°), • 2, 3, 4 – roţi dinţate cu dinţi înclinaţi (unghiul de înclinare al dinţilor β = 4°) • z2 = 39 , z3 = 39 , z4 = 44 – dinţi.

Dacă în anumite condiţii este necesar un cuplu mai ridicat la rotile motoare, motorul dispus axial poate fi uşor schimbat si înlocuit cu alt motor sau cu un motor cu reductor (Fig. 1.7 b).

Transmiterea mişcării de la cea de-a treia roată dinţată a transmisiei utilizate (Fig. 1.8a) la roata motoare a modulului motor se face utilizând un şurub ca cel prezentat in figura 1.8b. Şurubul este ax comun atât pentru roata dinţata cu dinţi înclinaţi cât si pentru roata motoare a modulului motor. Roata motoare se asamblează cu strângere pe şurub. Roţile modulului motor sunt realizate din aluminiu. In scopul măririi aderenţei dintre roţi şi ţeavă acestea au fost prevăzute cu inele din cauciuc.

a) b) Fig. 1.8 a) Modelul 3D al transmisiei utilizate b) Modelarea 3D a şurubului de legătura dintre roata

dinţata şi roata motoare Notând cu nM turaţia motorului de antrenare şi cu nR turaţia roţii motoare din expresia

raportului de transmitere:

342312 iiinni

R

MMR ⋅⋅== (5)

se obţine turaţia la roţile motoare ale modulului motor:

MR nzzn

4

1= (6)

În figura 1.9 se prezintă modulul motor în ţevi cu diametrele Φ150 şi Φ190.

Fig. 1.9 Modulul motor în ţevi cu diametrele Φ150 şi Φ190.

Cele două module motoare realizate sunt prezentate în figura 1.10.

Fig. 1.10 Modulule motoare (prototip 2).

Al treilea prototip de modul motor Modulul motor este compus din 6 mecanisme de tip manivelă-piston. Acestea sunt aşezate câte două în trei planuri dispuse la 120˚ în jurul axului central. Generarea forţei de apăsare a roţilor pe suprafaţa interioară a ţevii este realizata de două arcuri elicoidale. Schema structurală pentru cel de-al treilea modul motor este prezentată în figura 1.11. Acesta soluţie constructiva prezintă avantajul ca roţile motoare se adaptează independent de roţile conduse la diametrul ţevii.

Una din problemele apărute în cadrul proiectării acestui modul a constituit-o dimensiunile motorului cu reductor ceea ce a făcut ca cele 6 mecanisme bielă manivelă să nu fie identice. De asemenea si cele două arcuri utilizate au dimensiuni diferite.

E2

ME

E1

D1

F1

C1

F2

C2

A2

B2

B1 O1

A1

O1

OO2

D2

R

h1h2h2h3

a)

ME

E1

D1

F1

C1

B1 O1

A1

O1

R

h1h2h2h3

0 01

2

3

4

b)

Fig. 1.11 Schema structurală a modului motor 3 (a) si mecanismul dintr-un plan din structura sa (b)

• 1 – melc (z1 = 1, modulul m = 0,75 mm, unghiul de înclinare al spirelor melcului θ = 4°), • 2, 3, 4 – roţi dinţate cu dinţi înclinaţi (unghiul de înclinare al dinţilor β = 4°) • z2 = 42 , z3 = 38 , z4 = 38 – dinţi.

Roţile au razele r = 25 [mm], lăţimea 7 [mm], iar elementele componente au lungimile:

951 =h [mm], 582 =h [mm], 533 =h [mm], ( ,3322111 AOAOAOh === ,3322112 BEBEBEh ===

3322113 FEFEFEh === ). Unghiul θ este limitat constructiv între 15÷ 60 [°].

Turaţia la roţile motoare ale modulului motor este:

MR nzzn

4

1= (7)

Lungimea totală a modulului motor este de 307 [mm]. Masa modulului motor împreună cu firele de acţionare este de 630 [g], (Anexa 3).

In figura 1.12 se prezinta modelarea 3D a modulului motor (prototip 3) şi fotografia sa.

a) b)

c) d)

e)

Fig. 1.12 Modelarea 3D a modulului motor (prototip 3) şi fotografia sa

În figura 1.13 se prezintă modulul motor în ţevi cu diametrele Φ145 şi Φ150.

a) b)

Fig. 1.13 Modulul motor 3 în ţevi cu diametrele Φ145 şi Φ150. Modul pasiv varianta 1 Primul modul pasiv este utilizat în realizarea primului sistem modular robotizat de inspectie in ţevi şi explorare ce utilizează primul modul motor (Fig. 1.14).

Caracteristici: - roţile prevăzute cu bandaj din poliuretan au razele 25 [mm] şi lăţimea 17 [mm]; - dispunerea roţilor: doua perechi de câte trei la 120 [0]. - greutate 1070 [g]; În partea centrală a modulul pasiv este dispus un element ce are forma unui butoiaş realizat din PVC cu dimensiunile D = 110 [mm], L = 150. La extremităţi acesta se închide cu două elemente circulare transparente din sticlă organică prevăzute cu 4 găuri (Anexa 4). În figura 1.14 este prezentată modelarea 3D şi o fotografie a modulului pasiv.

a)

b)

Fig. 1.14 Modul pasiv varianta 1

a) Modelare 3D a modulului pasiv; b) Fotografia modulului pasiv Deplasarea roţilor se face pe direcţie verticală, iar valoarea cursei pe care o poate efectua este de 25 mm. Aceasta cursa poate fi mărită în cazul în care diametrul ţevii este mai mare deoarece

tijele de susţinere ale roţilor sunt prevăzute cu două găuri şi cu un bolţ detaşabil (Fig. 1.15). În cazul în care se doreşte mărirea cursei se vor schimba şi arcurile ce creează forţa de apăsare dintre roată şi ţeavă. Arcurile utilizate sunt de compresiune.

a) b) c) d)

Fig. 1.15 Tija pentru susţinerea roţilor modulului pasiv

Modulul pasiv poate fi utilizat pentru transportul componentelor electronice, respectiv baterii de alimentare şi alte componente necesare inspecţiei (reciver cameră video, etc.) şi explorării. Modul pasiv varianta 2 Model 3D prezentat în figura 1.16 este cel de al doilea modul pasiv proiectat şi realizat. Are mecanismul din structură identic cu cel al primului modul motor. Poate fi utilizat pentru transportul echipamentelor şi materialelor necesare inspecţiei şi explorării. Datorită faptului că elementele de lungime h3 se deplasează la schimbări de diametru încărcarea sa se va face în porţiuni simetrice la 120°.

E’1 B’1

F’1

O1

A’1

C’1D’1

O’

OO’2

A’2

B’2

D’2

E’2

F’2 C’2

h3

h2 h1

a) b)

c) Fig. 1.16 Modulul pasiv varianta 2

a) Modelare 3D; b) schema structurala c) fotografia prototipului realizat Roţile au razele r = 25 [mm], lăţimea 7 [mm] iar elementele componente au lungimile: h1 = 30,7 [mm], h2 = 70,4 [mm], h3 = 136,6 [mm] ( h1 = O'1A1 = O'2A2 = O'3A3, h2 = E'1B1 = E'2B2 = E'3B3, h3 = E'1F1 = E'2F2 = E'3F3 ). Elementele din structura modulului pasiv sunt realizate din aluminiu iar axul central din oţel (Anexa 5). Masa modulului pasiv este de 500 [g]. Modul pasiv varianta 3 Cel de al treilea modul pasiv are o structură asemănătoare cu cel de al doilea modul pasiv. Diferenţa majoră o constituie diametrul roţilor, grosimea acestora şi implicit cursa tijei cu roata. Acest modul pasiv este realizat in două variante constructive: cu roţi Φ 34 (Anexa 6) utilizat in construcţia celui de al treilea sistem modular şi cu roti Φ 50 (Anexa 7) utilizat in construcţia celui de al doilea sistem modular.

În figura 1.17 şi 1.18 este prezentată modelarea 3D a modulului pasiv şi o fotografie a sa. Modulul pasiv din figura 1.17 are lungimea totală L = 204 [mm], raza roţilor r = 17 [mm], lăţimea roţilor 7 [mm] şi greutatea de 700 [g].

a)

b)

Fig. 1.17 Modul pasiv varianta 3 cu roţi Φ 34

a) Modelarea 3D a modulului pasiv b) Fotografia modulului pasiv

a)

b) c)

Fig. 1.18 Modul pasiv varianta 3 cu roti Φ 50:

a) Modelarea 3D a modulului pasiv b) Fotografia modulului pasiv

Partea centarala a modulelor pasive (butoiaş) poate fi usor demontata si schimbata in functie de necesitati (Fig. 1.19).

a)

b)

Fig. 1.19

Sistemul de protecţie propus pentru camera video

Pentru camera video utilizată de sistemele robotizate sunt propuse sistemele de protecţie din figurile următoare:

a) b)

c)

Fig. 1.20 Modelul 3D al sistemelor de protecţie pentru camera video propuse

a)

b)

Fig. 1.21 Fotografia sistemelor de protecţie realizate Sistemele de protecţie proiectate şi realizate (Anexa 8, Anexa 9) sunt compuse dintr-o

carcasa prevăzuta in exterior cu role si doua leduri pentru generarea luminii in ţeava (Fig. 1.21 a,b). Camera video se montează din exterior cu doua şuruburi M3.

Camera video wireless achizitionata este prezentata in figura 1.22. Caracteristicile sale

sunt prezentate în tabelul 1.1: Tabel 1.1

Caracteristici Mini camera video wireless cu emiţător si receptor

- Dimensiuni: 27 x 35 x 31 mm - Microfon încorporat.

- Raza de acţiune extinsă: 1KM - exterior şi 450m la interior. - Specificaţii Camera: Senzor: CMOS Color Standard TV: PAL Focus: Ajustabil manual de l

mm la infinit Rezoluţie: 380 linii TV (600x800 pixeli -pal) senzor cmos-

- Puterea de emisie: 250mW Voltaj: 8 - 9V DC Camera poate fi conectată la alimentatorul insau la o baterie de 9V.

- Specificaţii Receptor: Recepţie imagine + sunet. Output: Video RCA Jack Voltaj: 9-12V DCPuterea consumată: 1.2W Greutate receptor: 130 g.

- Pachetul include: 1 x Mini camera video cu emiţător incorporat 1 x Receptor Video 1 x Antde recepţie 2 x Alimentatoare pentru camera video şi receptor 1 x Cablu

Fig. 1.22 Minicamera wireless utilizata pentru inspecţie in ţevi (model ELRO) Sistemul de protecţie se fixează pe axul unui modul motor al sistemului de inspecţie şi

explorare. Sistemul montat pe modulele motoare ale sistemului robotizat se prezintă în figura 1.23.

a) b)

c) d)

Fig. 1.23 Modelele 3D ale modulelor motoare ale sistemelor robotizate cu sisteme de protecţie pentru camera video şi fotografia modulului motor 1

Conectarea modulelor motoare si pasive ale sistemelor robotizate Intre modulele sistemului robotizat se utilizează cuplele cardanice cu elementul intermediar proiectate şi realizate din figura 1.24 (Anexa 10).

Fig. 1.24 Fotografia sistemului de conectare dintre modulele sistemelor robotizate (cuplele cardanice)

In scopul marii distantei dintre cupla cardanica si modulul pasiv (Fig. 1.25 a) s-au proiectat

si realizat elemente intermediare ce sunt prezentate in figura 1.25 b. Elementul intermediar poate fi utilizat in special la deplasarile sistemelor robotizate in tevi ce prezinta coturi.

a) b)

Fig. 1.25 Element intermediar ce poate fi utilizat in special la deplasari in tevi ce prezinta coturi

Calculul de rezistenţă a cuplei cardanice

Solicitarea cuplei cardanice este maximă când sistemele robotizate sunt in poziţie verticală (Fig. 1. 26 ). De exemplu in cazul celui de al doilea si al treilea sistem robotizat prima cupla cardanica trebuie să susţină şi să ridice pe direcţie verticală atât modulul pasiv cât şi pe cel de al doilea modul motor.

a) b) c)

Fig. 1.26 Sistemele robotizate in teava verticala (modelare 3D)

Cunoscând greutatea celor 3 module care formează sistemul modular şi faptul că pentru toate cele 3 sisteme modularizate robotizate dimensiunile cuplei cardanice sunt aceleaşi, se va lua în considerare cazul în care modulele sistemelor robotizate au greutatea cea mai mare.

In acest sens se considera cazul primului sistem modularizat cu modulul motor acţionat cu trei motoare de curent continuu (Fig. 1.26 a) în care: modulul motor are masa mam = 978 [g], modulul pasiv are masa mpm =1097 [g], iar cuplajul cardanic dintre cele 2 module are masa

2cm = 10 [g].

În figura 1.27 se prezintă cuplajul cardanic proiectat în secţiune şi solicitările principale ce

apar pe bolţ.

Fig. 1.27 Distribuţia tensiunilor din cuplajul cardanic

Verificarea la forfecare:

aff

f AF ττ ≤= (8)

unde s-a notat cu: sσ - tensiune de strivire fτ - tensiune de forfecare. Principalele solicitări ale bolţului din cuplaj sunt la forfecare şi la strivire. Bolţul are lungimea l = 12 [mm], diametru b = 2 [mm] şi este confecţionat din OL60. Masa totală a celor trei componente TM pe care trebuie să o suporte cupla cardanică este:

mpcmaT mmmM ++=2

(9) 2085109710978 =++=TM [g] ştiind că: 433,208,9085,2 =⋅=⋅= gMG TT [N] iar aria secţiuni solicitate este:

14,34414.3

4

2

=⋅=⋅=bAf π [mm2] (10)

se obţine:

01.1314.3433.2022 =⋅=⋅=

Ff A

Gτ [N/mm2] (11)

Pentru OL60 tensiunea admisibila la forfecare este 96=afτ [N/mm2]. Pentru dimensionare utilizăm relaţia:

=⋅== 296433.20

anec

FAτ

0.425 [mm2] (12)

necAd=

4

2

π => =⋅

=π

425.04d 0.735 [mm] (13)

cum d < b rezultă ca bolţul utilizat în cuplajul cardanic rezistă la forfecare. Verificarea la strivire:

asS

S AF σσ ≤= (14)

Aria secţiuni solicitate este:

24122 =⋅=⋅= ldAS [mm2] (15) deci:

851.024433,20

==Sσ [N/mm2]

Tensiunea admisibilă la strivire sas σσ > deci bolţul rezistă la strivire ( asσ = 70 [N/mm2])).

Analiza cu element finit a furcii şi a elementului intermediar, s-a realizat utilizând CosmosXpress din Solid Works (Fig. 1.28).

d)

Fig. 1.28 Analiza cu element finit utilizând CosmosXpress Pentru distribuţia tensiunilor în model - s-a utilizat metoda de analiză cu element finit von Mises. Zonele marcate cu roşu reprezintă zone maxim solicitate iar cele marcate cu albastru sunt cele mai puţin solicitate. In figura 1.29 se observa ca valoarea Yield Stress = 2,41 x 108 [N/m2] - reprezintă tensiunea de la care materialul ales pentru analiza începe să se deformeze plastic. Cea mai mare valoare care se poate atinge în urma solicitării este de 1,675 x 106 [N/m2] iar deplasările ce pot fi observate în figura 1.28 au valori minime de ordinul 10-5 [mm].

Fig. 1.29 Distribuţia tensiunilor si valorile maxime / minime ale acestora

Fig. 1.30 Distribuţia deplasariilor si valorile maxime / minime atinse

În concluzie furca din componenţa cuplei cardanice rezistă la forţele care apar în cazul extrem supus analizei.

Analiza elementul intermediar al cuplajului cardanic

În cazul distribuţiei tensiunilor în model se constată că tensiunea maximă echivalentă (Fig. 1.31) este 2,08 [N/mm2], iar în cazul oţelului utilizat tensiunea maximă echivalentă admisibilă este de 240 [N/mm2].

Fig. 1.31 Distribuţia tensiunilor si valorile maxime / minime ale acestora pe elementul intermediar

Deplasările ating valoarea maximă de 1,847 x 10-5 [mm], deci o valoare foarte mică. (Fig. 1.32).

Fig. 1.32 Distribuţia deplasărilor si valorile maxime / minime atinse

2. SISTEME MODULARIZATE PENTRU INSPECŢIE ŞI EXPLORARE - PROTOTIPURI PROIECTATE SI REALIZATE -

Sistemul modularizat 1 Sistemul modularizat prezentat în figura 2.1 este format din două module: unul activ (motor) şi unul pasiv. Conectarea între module s-a realizat prin utilizarea unui cuplaj cardanic. Sistemul modularizat poate fi utilizat la realizarea de inspecţii în ţevi cu diametre cuprinse între 140 – 200 [mm]. Are lungimea totală de 536 [mm], (Anexa 11).

a)

b)

Fig. 2.1 Schema structurala si fotografia sistemului modularizat 1 Sistemul modularizat 2 Sistemul modularizat prezentat în figura 2.2 este format din trei module: două active

(motoare) şi unul pasiv. Va fi utilizat la inspectarea ţevilor cu diametre cuprinse între 130 - 180

[mm] şi are o lungime totală de 881 [mm]. Sistemul robotizat modularizat va putea trece prin coturi în formă de L, (Anexa 12).

E1

B1

F1

O1

A1

C1D1

O1

OO2

A2

B2

E2

F2C2

B’ME

D2

G1

G2

H

G1 I1

I2G2

E’1O’1

A’1

C’1D’1

O’2

A’2

B’2

E’2

F’2 C’2

B’ ME

D’2

G’1

G’2

H

R

F’1

B’1

a)

b)

Fig. 2.2 Schema structurala si fotografia sistemul modularizat 2 Sistemul modularizat 3

Al treilea sistem modularizat este prezentat în figura 2.3 şi are în componenţă trei module:

două active (motoare) şi unul pasiv. Sistemul robotizat poate fi utilizat la inspectarea ţevilor cu diametre cuprinse între 150-190 [mm]. Are o lungime totală de 856 [mm], (Anexa 13).

E2

ME

E1

D1

F1

C1

F2

C2

A2

B2

B1 O1

A1

O1

OO2

D2

R

H

E`2

E`1

D`1

F`1

C`1

F`2

C`2

B`2

B`1

A`1

O`1

O`2

D`2

RME

A`2

I

a)

b)

Fig. 2.3 Schema structurala si fotografia sistemul modularizat 3

Sistemele robotizate prezentate nu sunt autonome din punct de vedere energetic fiind alimentate prin fire. Prin combinarea modulelor active şi pasive se pot obţine în funcţie de necesităţi şi alte sisteme modularizate de inspecţie şi explorare. Astfel în Anexa 14 este prezentat un astfel de sistem cu patru module (două active faţă, spate şi două pasive în zona centrală).

3. CONCLUZII

Roboţii pentru inspecţie în ţevi joacă un rol foarte important la întreţinerea reţelelor de ţevi

de aproape orice fel asigurând inspectarea şi chiar repararea acestora. Utilitatea acestor se dovedeşte a fi şi mai importantă atunci când ţevile care trebuiesc inspectate se află în medii ostile.

Unii dintre aceştia au fost proiectaţi pentru a realiza unele sarcini specifice sau pentru diametre fixe ale ţevilor, dar exista şi sisteme robotizate compuse din module active şi pasive care îşi pot adapta structura în funcţie de variaţia diametrului ţevii inspectate şi care pot realiza mai multe tipuri de operaţii (inspecţie video, curăţire, sudare, lipire, tăiere etc).

Sisteme robotizate modelate, proiectate şi realizate în acest proiect pot fi utilizate la inspecţia şi explorarea unor ţevi cu diametre cuprinse între 130 şi 200 mm. Pot fi dotate cu camere de luat vederi, surse de lumina şi acumulatori pentru o autonomie mai ridicată.

Modulele sistemelor robotizate proiectate prezintă următoarele avantaje şi dezavantaje:

Avantaje

1 – Elementele componente ale modulelor motoare sunt constituite în mare parte din aluminiu ceea ce face ca greutatea sistemelor robotizate să fie redusă;

2 – In cazul modulelor 2 şi 3 se utilizează doar un motor pentru acţionare (numărul firelor de alimentare fiind mai reduse).

3 – Datorită structurii sale al treilea modulul motor are în contact cu peretele tevii cite trei roţi chiar şi la variaţia diametrului ţevi.

4 – Cupla cardanică (cu element intermediar) utilizată ca element de legatură între modulele sistemelor robotizate facilitează traversarea reţelelor de ţevi ce conţin coturi.

Dezavantaje şi limitări 1 – Diametrul şi forma ţevii: - posibilităţile de adaptare ale sistemelor robotizate sunt pentru diametre cuprinse

intre 130-200 [mm], daca aceste valori sunt depăşite sistemele robotizate modulare nu pot fi utilizate.

- sistemele robotizate modulare se pot utiliza numai în cazul ţevilor cu secţiune circulară.

2 – numărul de motoare în cazul primului modulul motor reprezintă un dezavantaj deoarece sistemul de control devine mai complicat şi ii cresc greutatea.

3 – lungimea şi numărul cablurilor - utilizarea unui număr mare de cabluri (in special in cazul primului modul motor)

pot îngreuna funcţionarea, acestuia. 4 – roţile din partea din faţă sau din spate ale modulelor motoare 1 şi 2 pot să nu fie în

contact cu ţeava în cazul în care acestea se deplasează în ţevi în care există schimbări de diametre.

BIBLIOGRAFIE 1. Choi, C., Jung, S., Kim, S., Feeder Pipe Inspection Robot with an Inch-Worm Mechanism Using Pneumatic Actuators, International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 4, no. 1, pp. 87-95, February, 2006.

2. Choi, H, R., Roh., S., In-pipe Robot with Active Steering Capability for Moving Inside of Pipelines Bioinspiration and Robotics: Walking and Climbing Robots, Book edited by: Maki K. Habib, ISBN 978-3-902613-15-8, pp. 544, I-Tech, Vienna, Austria, EU, September 2007.

3. Demian, T., Curiţă, I., Calculul si constructia elementelor de mecanica fina, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1972. 4. Demian, T., Elemente constructive de mecanică fină, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1981.

5. Demian, T., Tudor, D., Grecu, E., - Mecanisme de mecanică fină, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982.

6. Demian, T., Tudor, D., Curiţa, I., Niţu, C., - Bazele proiectări aparatelor de mecanică fină, Vol. 1,2, Editura Tehnică, Bucureşti, 1984.

7. Gambao, E., Hernando, M., Brunete, A., Multiconfigurable Inspection Robots for Low Diameter Canalizations, Proceedings of the 22nd International Symposium on Automation and Robotics in Construction ISARC 2005 - September 11-14, 2005, Ferrara, Italy. 8. Handra-Luca, V., Stoica, I.A., - Introducere în teoria mecanismelor, vol. I, II, Editura Dacia, Cluj – Napoca, 1983. 9. Hirose, S., Ohno, H., Mitsui, T., Suyama, K., Design of In-Pipe Inspection Vehicles for 25, 50, 150 Pipes, Proceedings ICRA, Detroit, pp. 2309-2314, 1999.

10.Jun C, Deng Z., Jiang, S., - Study of Locomotion Control Characteristics for Six Wheels Driven In-Pipe Robot, Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, August 22 - 26, 2004, Shenyang, China.

11. Kwon, Y.S., Jung, E.J., Lim, H., Yi, B.J., - Design of a Reconfigurable Indoor Pipeline

Inspection Robot, International Conference on Control, Automation and Systems 2007 Oct. 17-20, 2007 in COEX, Seoul, Korea.

12. Li, P., Ma, S., Li, B., Wang, Y., - Development of an Adaptive Mobile Robot for In-

Pipe Inspection Task, Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, August 5 - 8, 2007, Harbin, China.

13. Li, P., Ma, S., Li, B., Wang, Y., Ye, C., - An In-pipe Inspection Robot based on

Adaptive Mobile Mechanism: Mechanical Design and Basic Experiments, Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems San Diego, CA, USA, Oct 29 – Nov. 2, 2007 14. Moghadam, M.M., Tafti, R.A., Hadi, A.R., - Design and Manufacturing of a Pipe Inspection Crawler (PIC), Tehran International Congress on Manufacturing Engineering (TICME2005) December 12-15, 2005, Tehran, Iran.

15. Okada, T., Sanemori, T., 1987 – MOGRER - A Vehicle Study and Realization for In-Pipe Inspection Tasks, IEEE Journal of Robotics and Automation, v. RA-3, No6, pp.573-582. 16. Roh, S. G. Ryew S. M. Choi H. R.: 2001 - Development of Differentially Driven In-pipe Inspection Robot for Underground Gas Pipelines, Proceedings of International Symposium on Robotic, 2001, p. 165-170.

17. Tătar, M.O., Ardelean, I., Mândru, D., Stan, S. - Mechanisms used in construction of

mobile minirobots, Acta Technica Napocensis, Series: Applied Mathematics and Mechanics, 50, Vol II, 2007, pag. 169-174, ISSN 1221 - 5872. 18. Tatar, M.O., Mandru, D., Ardelean, I., Development of mobile minirobots for in pipe inspection tasks, The 3RD International Conference and Mechatronic Systems and Materials 2007, MSM 2007, Kaunas, Lithuania, 27 - 29 September, 2007, pp. 238-239, ISSN 1822-8283 (ISI).

19. Tătar, M.O., Mândru, D., - Robotic System for Inspection and Exploration, Annals of

the University of Oradea, Fascicle of Management and Technological Engineering, CD-ROM Edition, Volume VII (XVII), 2008, pp. 1112-1117, ISSN 1583-0691.

20. Tătar, M.O., Mândru, D., - Research Concerning Mobile Mini and Microrobots, în

volumul Machine Design (Ed. Sinisa Kuzmanovic), pag. 163-166 , University of Novi Sad, ISBN 978-86-7892-105-6, 2008.

21. Tătar, M.O., Mândru, D., - Design of the Mobile Minirobots Structures, Proc. of IEEE

Inter. Conf. on Automation, Quality and Testing, Robotics (AQTR 2008), paper R-M1-2, Cluj-Napoca, 2008, 1-4244-2577-8/08 IEEE, IEEE Catalog number CFP08AQT-CDR, ISBN: 978-1-4244-2577-8, Library of Congress 2008904446.

22. Tatar, M.O., Mândru, D., - Design of In-Pipe Modular Robotic Systems, Proceedings of

the 4th International Conference Mechatronic Systems and Materials, MSM 2008, pp. 29-30, Bialystok, 14-17 iulie 2008.

23. Tătar, M.O., Stan S., Mândru, D.,- The modular robotic systems, The 79th Annual

Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAAM 2008), 31 March – 4 April, 2008, Bremen.

24. Tătar, M.O., Mândru, D., Aluţei, A., Lungu, I. – Minirobots with adaptable structure,

The 19th International DAAAM Symposium "Intelligent Manufacturing & Automation: Focus on Next Generation of Intelligent Systems and Solutions " 22-25th October 2008, Slovak, Trnava, Slovakia, ISBN 978-3-901509-68-1, ISSN 1726-9679, pag. 1365-1366 (ISI Proceedings).

25. Tatar, M.O., Mândru, D., Alutei, A., Gorga, V. – In-pipe inspection robotic system

adaptable to pipe diameter, Proceedings of the International 4th Conference Robotica 08 Brasov, Romania, November 13-14, in Scientific Bulletin of the Transilvania University of Brasov, Series A, Vol. 15 (50), 2008, pag. 513-516, ISSN 1223-9631, ISBN 978-973-598-387-1.

26. Zhang, Y., Yan, G., - In-pipe inspection robot with active pipe-diameter adaptability and automatic tractive force adjusting, Mechanism and Machine Theory, 42, pp. 1618–1631, 2007. 27. *** http://mecha.skku.ac.kr/~robotian/robotics/inpipe/paper/ SMIRT.pdf 28. *** http://www.mrsc.org/subjects/pubsafe/PipeSafetyref.aspx

ANEXA 1

ANEXA 2

6 754

3

1

2

8

9

10

12 1311

F

8

E

D

C

B

A

G

H

J

K

L

M

7654321 9 10 11 12 13 14 15 16

91 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12

K

G

A

B

C

D

E

F

H

J

Modul Motor Varianta 2 A1

SCARA :1:1

1

Denumire Material Nr. desen sau STAS Observatii Buc.

23456789101112

Poz.

Roata dintata z1Element_01Roata dintata z2Roata dintata z3RoataAx centralElement_03Element_02Element_04Bucsa_01

Bucsa_02

Carcasa motorArc revenire

CuAl10MnT STAS 198/2-81

ARC1 STAS 795-71

CuAl10MnT STAS 198/2-81

13

CuAl10MnT STAS 198/2-81

CuAl10MnT STAS 198/2-81

CuAl10MnT STAS 198/2-81

CuAl10MnT STAS 198/2-81

OLC45 STAS 880-80

CuAl9Fe5Ni5T STAS 198/2-81

CuAl9Fe5Ni5T STAS 198/2-81

CuAl10MnT STAS 198/2-81CuAl9Fe5Ni5T STAS 198/2-81

MMV2-00

MMV2-01MMV2-02MMV2-03MMV2-04

MMV2-05MMV2-06MMV2-07MMV2-08MMV2-09MMV2-10MMV2-11MMV2-12

ECHIPA ID_1056

ANEXA 3

ANEXA 4

ANEXA 5

ANEXA 6

ANEXA 7

ANEXA 8

ANEXA 9

ANEXA 10

ANEXA 11

ANEXA 12

ANEXA 13

ANEXA 14