РОБОТ ДЛЯ ВНУТРИТРУБНОЙ ДИАГНОСТИКИ Российский патент 2022 года по МПК F16L101/30 B25J9/00 F17D5/00 

Изобретение относится к области диагностики, видеоинспекции, дефектоскопии магистральных и технологических газопроводов, нефтепроводов, трубопроводов сферы ЖКХ и может найти применение при работе в труднодоступных участках труб (овализация трубопровода, гофры, выпуклости, вмятины, Т-образные переходы и др. препятствия), труб любой конструкции с переменным сечением диаметра вертикальных и наклонных участков без использования траншейного метода диагностики трубопроводов.

Известна робототехническая система инспекции трубопровода, содержащая средство перемещения, выполненное с возможностью передвижения внутри трубопровода, установленные на средстве перемещения камеры, осветительное оборудование, приемопередающее устройство, входы которого соответственно связаны с выходами камер, первый выход приемопередающего устройства соединен со входом приводов ходовых механизмов средства перемещения, а второй выход -со входом осветительного оборудования, а также размещенные вне трубопровода передающеприемное устройство, блок управления, блок регистрации, монитор, вход-выход блока управления соединен с входом-выходом передающеприемного устройства, выход передающеприемного устройства соединен с входом монитора через блок регистрации, при этом передающеприемное устройство и приемопередающее устройство связаны по радиоволновому каналу. Средство перемещения выполнено в виде тележки, одна из камер, курсовая, установлена с возможностью обзора курса перемещения тележки, а другая из камер, обзорная, установлена с возможностью обозрения стенки трубы в поперечной плоскости и снабжена приводом ее поворота в плоскости, ортогональной оси трубы, вход которого соединен с третьим выходом приемопередающего устройства, вход курсовой камеры связан с четвертым выходом приемопередающего устройства, ходовые механизмы тележки снабжены энкодерами и их выход подсоединен к информационному входу приемопередающего устройства. (https://www.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=8747e096444e72a9b13af1f1cb05b20a).

Недостатками устройства являются ограничения траектории движения, кинематических и динамических характеристик средства перемещения, выполненного в виде тележки. В свою очередь, тележка обладает ходовыми механизмами - энкодерами, приводящие в движение четыре колеса вращения. Это обуславливает малую маневренность, возможность опрокидывания устройства, невозможность передвижения в наклонных, вертикальных, изгибных участках трубопроводов, а также поврежденных, имеющие дефекты стенки трубы (овализация трубопровода, гофры, выпуклости, вмятины). Известный робот не имеет возможности осуществления дефектоскопии, измерения толщины стенки трубопровода и составления карт напряженно-деформированного состояния трубопровода и перемещений.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному роботу по совокупности признаков является роботизированная платформа для внутритрубной диагностики, содержащая первое и второе несущие основания, каждое из которых содержит расположенные под углом 120° три опорные ноги с независимыми приводами с колесами с независимыми приводами, при этом первое и второе несущие основания выполнены с возможностью соединения соединительными фланцами на полноповоротном диагностическом модуле на его противоположных сторонах, а полноповоротный диагностический модуль предназначен для установки контрольно-инструментальных средств, которые выполнены с возможностью использования их в качестве сменных модулей (патент РФ №194854 от 25.12.2019 г.). Данное устройство принято за прототип.

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым техническим решением, - соединенные между собой несущие основания с опорными ногами с опорными колесами, имеющими приводы; контрольно-инструментальные средства.

Недостатками известного робота, принятого за прототип, являются ограниченные технологические возможности, обусловленные отсутствием рабочего механизма для регулировки положения опорных ног в пространстве; громоздкостью опорных ног, позволяющих передвигаться только в ограниченном интервале диаметров трубопровода переменного сечения; возможностью застопоривания, т.к. на каждой платформе не указано положение электродвигателей, что может влиять на динамические и кинематические характеристики; наличием трех колес на каждой платформе, которых может быть недостаточным для прохождения участков трубопроводов сложной конфигурации, а также недостаточным для проведения процесса очистки; низким сцеплением колес с трубопроводом, вследствие отсутствия шипов, то есть робот не всегда может совершать перемещение; малой проходимостью в труднодоступных участках с физическим износом, осуществлением диагностического контроля определенного диаметра трубопровода; жесткостью всей конструкции, связанной с тем, что робот не может проходить сложные и изгибные участки типа: поворот, тройник, сужение и расширение диаметра, изменение наклона трубы, гофры, измерение формы трубы; отсутствием шарнирных связей между несущими основаниями; использованием «omni-колес», что может сказаться отрицательно при прохождении дефектных участков, которые робот может не проехать; громоздкостью конструкции, что позволяет работать подвеске робота в ограниченном диапазоне конфигураций трубопровода.

Задача изобретения - создание более простого робота с широким спектром технологических возможностей, способного осуществлять видео-, телеинспецию, дефектоскопию трубопроводов любого геометрического расположения в пространстве и конфигурации любой сложности, с выявлением повреждений, измерением толщины стенки трубопровода, прогнозированием остаточного ресурса, построением карт напряжений, деформаций и перемещений стенок конструкции в процессе эксплуатации.

Поставленная задача была решена за счет того, что известный робот для внутритрубной диагностики, включающий соединенные между собой несущие основания с опорными ногами с опорными колесами, имеющими приводы, контрольно-инструментальные средства, согласно изобретению содержит по меньшей мере два несущих основания, каждое из которых содержит четыре опорные ноги, расположенные под углом не менее 60 градусов относительно друг друга, выполненные в виде шарнирно-пружинного механизма, каждая опорная нога соединена с опорным колесом посредством платформы, опорные колеса выполнены с шипами, при этом по меньшей мере в одном несущем основании установлена система анализа, соединенная с контрольно-инструментальными средствами, установленными по меньшей мере на одном несущем основании и/или между основаниями и/или на платформе.

Кроме того, шипы на опорных колесах изготовлены из ферромагнитного материала.

Кроме того, на платформе установлен электродвигатель вращения.

Признаки заявляемого технического решения, являющиеся отличительными от прототипа, - содержит по меньшей мере два несущих основания; каждое из которых содержит четыре опорные ноги, расположенные под углом не менее 60 градусов относительно друг друга, выполненные в виде шарнирно-пружинного механизма; каждая опорная нога соединена с опорным колесом посредством платформы; опорные колеса выполнены с шипами; по меньшей мере в одном несущем основании установлена система анализа, соединенная с контрольно-инструментальными средствами; контрольно-инструментальные средства установлены по меньшей мере на одном несущем основании и/или между основаниями и/или на платформе; шипы на опорных колесах изготовлены из ферромагнитного материала; на платформе установлен электродвигатель вращения.

Наличие по меньшей мере двух несущих оснований, каждое из которых содержит четыре опорные ноги позволяет принять роботу устойчивое положение внутри трубопровода.

Выполнение опорных ног в виде шарнирно-пружинного механизма позволяет роботу перемещаться в трубопроводах любой конфигурации и геометрического расположения в пространстве: наклонных, вертикальных, горизонтальных, с отводами, тройниками, со сложными поворотами и в широком диапазоне изменения поперечного сечения диаметра трубопровода. Кроме того, благодаря растяжению-сжатию пружин и подвижности шарнирных соединений, обеспечивается высокая проходимость на участках с физическим износом, наличием дефектом (овализации поперечного сечения трубопровода, гофр, вмятин и т.д.), по труднодоступным участкам, что позволяет «подстраиваться» под каждую особенность участка трубопровода и проезжать любые дефектные места.

Расположение опорных ног под углом не менее 60 градусов относительно друг друга позволяет принять роботу положение по центру трубопровода.

Соединение каждой опорной ноги с опорным колесом посредством платформы позволяет равномерно распределить нагрузку на колесо вращения. Благодаря этому робот перемещается по трубопроводам сложной геометрии и с наличием выпуклостей во внутритрубном пространстве.

Наличие протектора в виде шипов на каждом колесе улучшает силу сцепления с поверхностью трубопровода.

Установка системы анализа по меньшей мере в одном несущем основании, соединенной с контрольно-инструментальными средствами, позволяет обрабатывать информацию с датчиков и измерять толщину стенки трубопровода и прогнозировать остаточный ресурс трубопровода, строить карты напряжений, деформаций, перемещений.

Установка контрольно-инструментальных средств по меньшей мере на одном несущем основании и/или между основаниями и/или на платформе позволяет проводить ремонтно-диагностические работы внутри трубопровода.

Изготовление шипов на опорных колесах из ферромагнитного материала позволяет перемешаться по наклонным и вертикальным участкам трубопровода.

Установка на платформе электродвигателя вращения позволяет преодолевать труднодоступные участки за счет вращения несущего основания вокруг своей оси.

Робот обладает лучшими кинематическими и динамическими характеристиками вследствие использования по меньшей мере четырех колес, с расположенными на них протекторами в виде шипов.

Робот имеет простую конструкцию для его изготовления и применения. Эксплуатация робота возможна в трубопроводах с наличием транспортируемой среды.

Предлагаемый робот иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлен робот на виде спереди, на фиг. 2 - робот на виде справа, на фиг 3 - общий вид робота (3D-модель).

Робот для внутритрубной диагностики содержит, по меньшей мере, два соединенных между собой несущих основания с опорными ногами. Каждое несущее основание содержит четыре опорные ноги, расположенные под углом не менее 60 градусов относительно друг друга и выполненные в виде шарнирно-пружинного механизма.

На фиг. 1-3 представлен пример робота с тремя несущими основаниями 1-3, каждое из которых содержит четыре опорных ноги.

Шарнирно-пружинный механизм включает шарнир 4, закрепленный к несущему основанию 1, к шарниру 4 прикреплена пара опорных штанг 5, концы штанг 5 соединены свободными шарнирами 6 к пружине 7. Пружина 7 тем же образом соединена при помощи второй пары опорных штанг 8 и прикреплена к платформе 9. Платформа 9 содержит конструкцию крепления колеса вращения 10, на которой закреплен электродвигатель вращения опорного колеса 11 и соответственно колесо 12. Платформа 9 может быть соединена при помощи вала с электродвигателем вращения 13 платформы 9, на которой возможна установка мехатронных датчиков или сенсеров.

Опорные колеса выполнены с шипами, которые могут быть изготовлены из ферромагнитного материала.

Несущие основания 1, 2, 3, соединены между собой, например, с помощью сферических шарниров 14, 15 (фиг. 2-3). Робот снабжен контрольно-инструментальными средствами, установленными по меньшей мере на одном несущем основании и/или между основаниями, например на раме, расположенной между несущими основаниями. На фиг. 1-3 на несущем основании 3 при помощи сферического шарнира 15 расположена видеокамера с возможностью перемещения в пространстве относительно несущего основания 3 с функцией идентификации дефектов 16, со светодиодными прожекторами 17, оптическими датчиками 18. Между несущими основаниями 1 и 2 расположена рама 19 для установки ультразвуковых, магнитных или других инструментов для диагностики трубопровода.

Робот снабжен системой анализа (на чертеже не показана), соединенной с контрольно-инструментальными средствами и установленной по меньшей мере в одном несущем основании. Система анализа позволяет измерять толщину стенки трубопровода и прогнозировать остаточный ресурс трубопровода, строить карты напряжений, деформаций, перемещений.

По меньшей мере в одном несущем основании расположен по меньшей мере один источник питания (на чертеже не показан) в зависимости от поставленной задачи исследования.

Робот осуществляет свою работу следующим образом.

В исследуемый трубопровод, например через фланцевое соединение, устанавливается робот, который работает автономно при помощи процессора, соединенного с источником питания, расположенным, например, в несущем основании 1 (фиг. 2, 3). Процессор после обработки сигнала координирует работу электродвигателей - 11, 13, а также видеокамеры 16, оптических датчиков 18 (фиг. 2, 3). Электродвигатели 11 приводят в движение колеса 12, создавая при этом поступательное движение робота внутри трубопровода. Шарнирно-пружинный механизм и сферическое шарнирное соединение 14, 15 обеспечивают прохождение изгибных участков трубопровода, дефектных участков, участков с наличием резкого изменения поперечного сечения вследствие деформаций трубопровода, а шарнир 4 и пружина 7 позволяют всей подвеске робота сохранять симметричное положение в пространстве. При обнаружении дефектного участка с помощью идентификации изображения видеокамеры 16 (фиг. 1, 2, 3), система анализа самостоятельно рассчитывает траекторию робота, чтобы преодолеть опасные участки или записывает их местоположение. Оптические датчики 18 определяют кривизну трубопровода, диаметр и т.д. Акселометры и гироскоп, расположенные, например, в несущем основании 1, позволяют определить отклонение центра тяжести робота. Датчики ультразвуковой или электромагнитной дефектоскопии определяют толщину стенки трубопровода и измеряет его диаметр. Данная информация позволяет прогнозировать толщину стенки трубопровода и остаточный ресурс трубопровода, строить карты напряжений, деформаций, перемещений.

Таким образом, с помощью заявляемого робота можно осуществлять диагностику труб любого диаметра, труб с наличием внутренних и внешних дефектов в виде овализации, вмятин, трещин, изменением поперечного сечения трубопровода.

Предлагаемый робот в отличие от робота по прототипу является более простым, динамичным, надежным и многофункциональным в работе. Он свободно перемещается в сложно-изгибных участках трубопроводов, в широком диапазоне изменения поперечного сечения диаметра трубопровода, по труднодоступным участкам, а также имеет возможность принимать более устойчивое положение в пространстве. Робот позволяет определить остаточный ресурс и спрогнозировать остаточную толщину стенки трубопровода, построить карты напряжений, перемещений и деформаций, чтобы определить опасный участок трубопровода. С его помощью можно осуществлять диагностику, видеоинспекцию труб любой конфигурации.

Изобретение относится к области диагностики, видеоинспекции, дефектоскопии магистральных и технологических газопроводов, нефтепроводов, трубопроводов сферы ЖКХ и может найти применение при работе в труднодоступных участках труб (овализация трубопровода, гофры, выпуклости, вмятины, Т-образные переходы и др. препятствия), труб любой конструкции с переменным сечением диаметра вертикальных и наклонных участков без использования траншейного метода диагностики трубопроводов. Робот включает соединенные между собой по меньшей мере два несущих основания с опорными ногами с опорными колесами, имеющими приводы. Каждое несущее основание содержит по меньшей мере три опорные ноги, расположенные под углом не менее 60 градусов относительно друг друга и выполненные в виде шарнирно-пружинного механизма. Опорные ноги и опорные колеса соединены посредством платформы. Опорные колеса выполнены с шипами. По меньшей мере в одном несущем основании установлена система анализа, соединенная с контрольно-инструментальными средствами. Контрольно-инструментальные средства установлены по меньшей мере на одном несущем основании, и/или между основаниями, и/или на платформе. Технический результат заключается в создании простого робота с широким спектром технологических возможностей, способного осуществлять видео-, телеинспекцию, дефектоскопию трубопроводов любого геометрического расположения в пространстве и конфигурации любой сложности, с выявлением повреждений, измерением толщины стенки трубопровода, прогнозированием остаточного ресурса, построением карт напряжений, деформаций и перемещений стенок конструкции в процессе эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Робот для внутритрубной диагностики, включающий соединенные между собой несущие основания с опорными ногами с опорными колесами, имеющими приводы, контрольно-инструментальные средства, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере два несущих основания, каждое из которых содержит четыре опорные ноги, расположенные под углом не менее 60 градусов относительно друг друга, выполненные в виде шарнирно-пружинного механизма, каждая опорная нога соединена с опорным колесом посредством платформы, опорные колеса выполнены с шипами, при этом по меньшей мере в одном несущем основании установлена система анализа, соединенная с контрольно-инструментальными средствами, установленными по меньшей мере на одном несущем основании, и/или между основаниями, и/или на платформе.

2. Робот по п. 1, отличающийся тем, что шипы на опорных колесах изготовлены из ферромагнитного материала.

3. Робот по п. 1, отличающийся тем, что на платформе установлен электродвигатель вращения.