4STEEL-ROBOT

Responsable: JOSE ARMANDO SEGOVIA DE LOS RIOS

Objetivos:

Desarrollar un sistema robotizado que permita acceder a las secciones de una esfera de almacenamiento de gas mediante telepresencia para la inspección visual y ultrasónica remotas.

Antecedentes:

La robótica ha alcanzado a la fecha un gran éxito en el mundo de la industria de la manufactura. Los brazos robóticos, o manipuladores, conforman en Estados Unidos una industria de 2 billones de dólares. Atornillados por sus hombros a una posición fija en la línea de ensamble, el brazo robótico puede moverse a gran velocidad y exactitud para realizar tareas repetitivas tales como soldadura de puntos y pintura. En la industria electrónica, los manipuladores colocan componentes de montaje superficial con precisión super-humana, haciendo posibles los teléfonos celulares y las computadoras portátiles.

A pesar de todos estos éxitos, estos robots comerciales sufren de una desventaja fundamental: falta de movilidad. Un manipulador de este tipo tiene un rango limitado de movimiento que depende de a dónde ha sido atornillado. En contraste, un robot móvil sería capaz de atravesar una planta de manufactura, flexiblemente, aplicando sus talentos donde estos sean más efectivos.

Existen varias clasificaciones de los robots móviles, ya sea por los tipos de control empleados en ellos o por los ambientes en los cuales deben de evolucionar. En cuanto a esta última característica, se podrían mencionar robots:

Aéreos
Terrestres
Marinos
Submarinos
Espaciales, etc.

Incluso dentro de estas categorías, hay una gran variedad, dependiendo de las características específicas del medio. Por ejemplo, si el terreno es plano, un robot a ruedas es preferible para desarrollar altas velocidades; si el terreno es irregular, un robot a orugas puede ser la mejor elección; sin embargo, si el terreno es muy irregular, un robot a patas es inmejorable.

Igual puede ser en aplicaciones aéreas, donde un robot tipo avión puede ser el adecuado para misiones de alta velocidad, sin embargo, para tareas en las cuales se requiere guardar una posición estable, un robot tipo helicóptero es mejor.

Los robots son empleados en tareas que representan un riesgo para la integridad humana o en aquellas que son repetitivas o tediosas. Es precisamente para la realización de trabajos que revisten riesgos para operadores humanos, para lo cual se propone el presente proyecto.

Actualmente es común que personal del Área de Materiales del ININ realice inspecciones en instalaciones industriales, por ejemplo de esferas de almacenamiento de gas butano, isobutano y propano. Estos contenedores inspeccionados son de un diámetro de 16 m, en promedio, y tienen una capacidad de almacenamiento de 15,000 barriles. Las tareas de inspección ahí realizadas revisten riesgos importantes, dado el ambiente explosivo y las dimensiones de los contenedores. Para poder efectuar las operaciones de inspección es necesario colocar previamente los andamios (internos y externos), lo cual representa un costo importante de los gastos de operación de estos servicios. Este costo es de aproximadamente 1 millón de pesos por un período limitado a un mes y medio.

Las operaciones del servicio, implican una inspección visual de toda la superficie interior y exterior, así como una inspección ultrasónica de toda la superficie interna (o externa) dividida en secciones tipo gajo, en localidades definidas mediante una rejilla de 5X5 puntos.

Una esfera está compuesta de varios gajos de acero soldados, los cuales deben ser inspeccionados visualmente y mediante partículas magnéticas. La iluminación interior es nula, por lo que se debe prever el uso de iluminación artificial en la sección bajo prueba. La inspección ultrasónica requiere que el transductor sea colocado perpendicularmente a la superficie bajo prueba, y a un rango de distancia de 0 a 3 cm. Estas dos condiciones son críticas para el buen desarrollo de las pruebas.

PEMEX tiene instaladas en el país cerca de 90 esferas de almacenamiento de gas LP, butano, isobutano y propano, distribuidas en sus 15 terminales de distribución, además de una gran cantidad de tanques secundarios de recibo y almacenamiento temporal. También se cuenta con otro tipo de contenedores, tanques cilíndricos verticales y tanques cilíndricos horizontales (salchichas) en otro tipo de terminales, que igualmente requieren de este tipo de inspecciones periódicas.

El ININ tiene en este tipo de servicios una gran mercado potencial, por lo cual sería importante contar con un dispositivo que permita eliminar gastos como los de los andamios y brindar tiempos de operación más cortos, y lo más importante, reducir los riesgos de operación.

Beneficios:

Contar con un robot móvil que permita la toma de información de manera remota en las diversas secciones de tanques contenedores de combustible, facilitará la realización de inspecciones reduciendo costos y aumentando la seguridad de los trabajadores encargados de tales trabajos.

El envío de la información recolectada en tiempo real a una estación de trabajo en tierra, facilitará las labores de inspección, aumentando la productividad.

Con el sistema en desarrollo se planea mejorar las condiciones de seguridad bajo las cuales se efectúan los trabajos de inspección de contenedores de PEMEX. Esto además permitirá reducir los costos con los cuales son realizados estos servicios, así como disminuir sus tiempos de realización.

Logros Obtenidos:

A la fecha se ha logrado adquirir el conocimiento necesario para poder realizar el control de motores de corriente directa empleando retroalimentación de posición, lo cual será necesario para poder producir el desplazamiento de las extremidades del robot para lograr el movimiento deseado.

Ya se tienen desarrolladas las funciones necesarias para el control de los motores lineales, las cuales utilizan las capacidades de conversión de analógico/digital del microcontrolador propuesto para obtener información útil para el control retroalimentado de éstos.

Se ha desarrollado también un algoritmo de tratamiento de imágenes que es necesario para mejorar la presentación del vídeo interno dadas las malas condiciones de iluminación existentes dentro de los contenedores.

Se cuenta ya con el programa de operación del robot, el cual incluye la interface necesaria para contar con un sistema agradable de fácil operación. Esta parte del sistema cuenta con un algoritmo de seguimiento del robot, que mediante una cámara colocada en la mesa de operación, permitirá mantener al robot siempre en una vista centrada para facilitar su control. Una segunda ventana presentará el vídeo de la zona bajo inspección actualmente, la cual es captada con una cámara colocada sobre el robot. Esta cámara se puede controlar desde el programa empleando para ello un joystick.

Las piezas de enlace entre cada motor rotatorio y el actuador lineal, para la composición de cada extremidad, ya se han diseñado y se encuentran actualmente en fabricación.

Se tiene ya definida la estructura de comunicación entre el robot y la estación de operación, para poder contar con un enlace inalámbrico bidireccional para el envío de comandos hacia el robot y el envío de información desde el robot hacia la consola de operación.

Se tiene también ya definido el enlace necesario para el envío de información visual desde el robot hacia la estación de operación y el dispositivo de captura adecuado.

Productos

Desarrollo de funciones de control de motores de CD rotativos y lineales
Algoritmos de tratamiento de imágenes
Programas de operación de robots
Diseño de piezas para la construcción de extremidades de robots caminantes
Actualmente se desarrolla la tesis de Licenciatura “Diseño Cinemático de las Extremidades de un Robot Escalado para Superficies Ferromagnéticas” y una residencia profesional de investigación sobre el “Control de un Robot Móvil en Exteriores mediante localización GPS”

Lo que se propone obtener como un producto terminado, es un robot móvil escalador equipado con instrumentos adecuados para la inspección remota mediante técnicas de ultrasonido y visualización, información que sería presentada directamente sobre la consola de operación, de tal manera que el operario pueda acceder de manera segura a la información, para verificar el estado de los contenedores bajo prueba.

Publicaciones

Congresos nacionales y extranjeros

Segovia De Los Ríos Armando, Bucio Valdovinos Francisco, Garduño Gaffare Mayra, Martínez Jimenez Luis, “Estudio de los Modos de Desplazamiento de un Robot Móvil Cuadrúpedo”, XVII Congreso Técnico Científico ININ-SUTIN, pp. 1-5, Ocoyoacac, Estado de México, 4-6 Diciembre 2007;

Armando Segovia De Los R., Mayra Garduño G., Armida González L, “4Steel-Robot: A Climbing Mobile Robot for Gas Containers Inspection”, 3rd WSEAS/IASME International Conference on Dynamical Systems and Control, Arcachon, France, October 13-15, 2007, pp. 200-205. ISBN: 978-960-6766-08-4, ISSN: 1790-5117.Francia;

J. Armando Segovia De Los Ríos, Jorge S. Benitez Read, Mayra P. Garduño Gaffare, Alberto Contreras Sánchez, “Modelo Cinemático y Funcional de un Robot Cuadrúpedo para Superficies Ferromagnéticas”, 9ª Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática, CISCI 2010, Orlando, Florida, 29 Jun – 02 Jul, 2010, ISBN-13: 978-1-934272-96-1, pp. 81-86).

Aplicaciones:

El sistema desarrollado tiene como objetivo principal su aplicación en tareas de inspección de contenedores de combustible de PEMEX, pero igualmente podría ser empleado en cualquier tipo de trabajo donde se requiera escalar cualquier otro objeto, con la condición de que sea hecho de algún material ferromagnético, para asegurar la sujeción.

El algoritmo de tratamiento de imágenes con iluminación deficiente puede ser utilizado en cualquier aplicación donde se le requiera, mejorando ventajosamente la visualización; esto es particularmente interesante en tareas de inspección remota.