Design, implementation, path planning, and control of a pole climbing robot

Abstract

Os robôs de trepar estruturas têm inúmeras aplicacações no campo da inspecção de estruturas tubulares tridimensionais construídas pelo Homem. A aplicação que mais se destaca é a inspecção periódica com recurso a sondas de testes não destrutivos (NDT) de forma a determinar o estado de degradação da estrutura bem como identificar possíveis defeitos nas soldaduras. Hoje em dia, as inspecções deste tipo são realizadas por técnicos especializados que se deslocam através das estruturas enquanto estas estão a ser utilizadas, normalmente transportando substâncias químicas perigosas. Este tipo das tarefas é designado na literatura inglesa como tarefas DDD (de Dirty, Dangerous and Difficult - Sujas, Perigosas e Difíceis). Se um Robô for capaz de trepar estruturas tubulares 3D com curvas e ramificações, bem como realizar uma digitalização de toda a sua superfície exterior, então pode ser equipado com sondas NDT de forma a executar inspecções autónomas. Este cenário seria mais seguro, barato e provavelmente, mais rápido do que utilizando as técnicas actuais. A investigação na área dos robôs de trepar tem-se focado maioritariamente em robôs de trepar paredes (WCRs), sendo o número de trabalhos sobre robôs de trepar estruturas (PCRs) bastante reduzido. Isto deve-se à dificuldade acrescida no desenvolvimento de PCRs comparativamente aos WCRs, já que os PCRs necessitam de garras dedicadas e graus de liberdade adicionais. Dentro dos PCRs, há que distinguir os robôs simples, capazes de trepar apenas estruturas tubulares lineares daqueles capazes de lidar com curvas e ramificações. Esta tese trata do projecto e desenvolvimento de um robô industrial do tipo PCR, capaz de trepar e varrer estruturas 3D com um mínimo de graus de liberdade. Este robô é capaz de ultrapassar secções curvas e em T, sendo ainda capaz de varrer a estrutura com uma sonda de inspecção sem recorrer a um braço extra.

Pole climbing robots have many applications in the inspection of human made 3D tubular structures. The most important application is performing periodical inspections by NDT probes in order to detect the progression of material degradation and welding defects. Nowadays, NDT methods are applied by dextrous technicians in elevated structures, while dangerous chemicals run inside the pipes. These jobs can be categorized as DDD (or 3D) jobs (jobs that are Dirty, Dangerous, and Difficult). In the United States, wages for DDD jobs can be over 70,000 USD annually, even though there are lack of workers for such jobs. If a robot is able to climb across 3D tubular structures with bends and branches and also scan all of its exterior surface, it might be equipped with NDT probes to perform autonomous inspections. This is safer, cheaper, and probably faster to do than using human workers. Previous researches on climbing robots all around the world focused mostly on Wall Climbing Robots (WCRs) and only a few research works were performed on Pole Climbing Robots (PCRs). The reason is the higher difficulty in designing PCRs compared to WCRs, as WCRs use standard grippers like vacuum cups or magnets to stick to the surface, PCRs need dedicated grippers. Furthermore there are fundamental differences between simple PCRs that only climb from a straight pole and those that should pass bends and branches. This thesis presents the “Design, development and automation of an industrial pole climbing and manipulating robot with minimum possible degrees of freedom, which is able to overcome bends and T-junctions of a structure, manipulate across the structure, and scan all of its surface, without need to an extra arm.”