diseño y desarrollo de un robot de inspección de tuberías

Universidad Politécnica de Madrid

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales

Diseño y Desarrollo de un Robot de

Inspección de Tuberías

TESIS DOCTORAL

María Alejandra Urdaneta Lima Ingeniero Electricista

Madrid, 2012

Departamento de Automática,

Ingeniería Electrónica e Informática Industrial

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales

Diseño y Desarrollo de un Robot de Inspección de

Tuberías

TESIS DOCTORAL

Autor:

María Alejandra Urdaneta Lima

Ingeniero Electricista

Directores:

Cecilia García Cena

Doctora en Sistemas de Control

Roque Saltarén Pazmiño

Doctor Ingeniero Industrial

Madrid, 2012

(D-15)

Tribunal nombrado por el Magnifico. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad

Politécnica de Madrid, el día de de 201 .

Presidente:

Vocal: .

Vocal:

Vocal:

Secretario:

Suplente:

Suplente:

Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis del día de de 201 . En la

E.T.S.I. Industriales.

EL PRESIDENTE LOS VOCALES

EL SECRETARIO

v

Índice general

Índice general v

Índice de figuras viii

Índice de Tablas xiv

Resumen xv

Abstract xvi

Agradecimiento xvii

1 Introducción 1

1.1 ESTADO DEL ARTE DE ROBOT DE SERVICIO . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 ROBOTS DE INSPECCIÓN DENTRO DE LA TUBERÍA. 2

1.1.2 ROBOT DE INSPECCIÓN DEL EXTERIOR DE

SUPERFICIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.2 MARCO DE TRABAJO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3 OBJETIVO GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4 MOTIVACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5 ESTRUCTURA DE LA TESIS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.6 CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.7 APORTES DE LA TESIS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 INGENIERÍA DE REQUERIMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1 HACIA LA ROBOTIZACION DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN 23

2.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA METODOLOGÍA

DESARROLLADA . . . .

27

2.3 REQUERIMIENTOS DERETOV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4 CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3 CONCEPCIÓN DEL MECANISMO DE RETOV. . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.1 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2 DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO MECÁNICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3 DILATACIÓN DE LA ESTRUCTURA EFECTOS DE

TEMPERATURA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.4 CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4 IMPLEMENTACIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1 ARQUITECTURA HARDWARE. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

vi

4.1.1 SELECCIÓN DEL ACTUADOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1.2 IMPLEMENTACIÓN DEL CUERPO DEL ROBOT. . . . . . . 50

4.1.3 IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE Y SOFTWARE

DE CONTROL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

4.2 CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5 MODELO DEL ROBOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.1 MODELO CINEMÁTICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.1.1 MODELADO DE UNA RUEDA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.1.2 MODELADO DE LAS TRES RUEDAS DE LA

ESTRUCTURA ROBÓTICA UTILIZANDO MATRICES

DE TRANSFORMACIÓN.. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .

67

5.2 MODELO USANDO LA TEORÍA DE ROBOT MÓVILES. . . . . . 68

5.2.1 ECUACIONES CINEMÁTICAS.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.2.2 CONTROLADOR CINEMÁTICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.3 MODELO CON MATRIZ DE TRANSFORMACIÓN DENAVIT-

HARTEMBERG.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

5.4 MODELO USANDO MATRIZ DE TRANSFORMACIÓN ( EJES

SCREW) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .

74

5.4.1 CONTROLADOR CINEMÁTICO DE LA ESTRUCTURA 81

5.5. CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6 PRUEBAS Y RESULTADOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

6.1 ACONDICIONAMIENTO DEL ROBOT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

6.1.1 AJUSTE DE LA VELOCIDAD . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 86

6.2 EXPERIMENTOS REALIZADOS CON LA CINEMÁTICA

DIRECTA PARA DESARROLLO REALIZADO CON EL

MODELO DE ROBÓTICA MÓVIL.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

6.2.1 CINEMÁTICA DIRECTA MOVIMIENTO ROTACIONAL 86

6.2.2 CINEMÁTICA DIRECTA MOVIMIENTO HELICOIDAL 88

6.3 EXPERIMENTOS REALIZADOS CON LA CINEMÁTICA

DIRECTA PARA DESARROLLO GEOMÉTRICO UTILIZANDO

PARA SU REPRESENTACIÓN SCREW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

6.3.1 MOVIMIENTO ROTACIONAL. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 91

6.3.2 ROBOT MOVIMIENTO TRASLACIONAL BAJANDO 93

vii

TUBERÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4 CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

7 CONCLUSIONES Y FUTURO TRABAJOS 103

7.1 CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 103

7.2 TRABAJOS FUTUROS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Anexos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

A 1 Revisión de Patentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

A 2 Estado del Arte de los métodos de Extracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

B 1 Herramientas para IR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 122

B 2 Estudio de la matriz QDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 123

C 1 Tabla de Características de Micro- Motores Pololu. . . . . . . . . . . . . . 134

C 2 Esquemático de la tarjeta diseñada para los sensores. . . . . . . . . . . . . . 135

D 1 Planos Mecánicos de RETOV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

viii

Índice de Figuras

1.1 Robot PIG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 PIG utilizado en la industria petrolera... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Robot para inspección de tubería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3

1.4 Robot MRINSPEC IV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 RADAR Robot para la inspección del interior de tuberías. . . . . . . . . . . 5

1.6 Robot PAROYS II... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.7 Robot KANTARO... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 6

1.8 Robot 1-in pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.9 Robot de inspección interno de tuberías..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.10 Robot con dos cadenas para la inspección interna de tuberías. . . . . . . . 7

1.11 .Robot tipo serpiente en tubería Vertical... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.12 Robot FAMPER... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.13 Robot OMNITREAD OT-4... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.14 Robot SHRIMP-LIKE... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.15 Robot TREPA pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10

1.16 ROBOT STICKYBOT. pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.17 Robot Bioinspirado en GECKO. pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.18 Robot ANCHOR CLIMBER: En su versión estándar y pequeña 11

1.19 Robot MOVGRIP pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.20 Robot para inspección de puentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.21 Robot RETOV en CAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 15

1.22 Fotografía del Robot RETOV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1 Herramientas de pesca FISHING MAGNETS (IMÁN PESCANTE 25

2.2 Herramienta indicador de punto libre.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Sistema de iteración humano Robot 29

2.4 Caso de uso Operador 29

2.5 Caso de uso Administradorr 31

2.6 Ejecutar Control Reactivo 31

32

ix

3.1 Vista en CAD del Robot RETOV desplazándose entre dos tuberías. 36

3.2 Vista en CAD de las partes del robot RETOV anillo cerrado. . . . . . . 37

3.3 Brazos articulados utilizados para abrazar el robot a la tubería. . . . . . . 38

3.4 Vista en CAD de las partes del robot RETOV anillo abierto. . . . . . . 38

3.5 Vista en CAD alzado lateral de los medios motrices y estructura de

suspensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .

40

3.6 Vista en CAD despiece en perspectiva de los medios motrices y de la

estructura de suspensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.7 Vista en CAD de planta del robot, montado entre dos tubería. . . . . . 42

3.8 Anillos abiertos y el rodillo tractor con eje en posición perpendicular

al eje de los anillos rotación longitudinal en la tubería. . . . . . . . . . . .

42

3.9 Anillos abiertos, rodillo tractor con el eje en posición paralela al eje de

los anillos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.1 Motor Pololu con reductora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2 Rueda con base y encoder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.3 Sistema de amortiguación y rotación de la rueda.. . . . . . . . . . . . . . . 50

4.4 Robot con el servo en un ángulo 0, 45, 90 grados . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5 Fotografía del sistema de amortiguación implementado . . . . . . . . . . 51

4.6 Esquemático de la arquitectura de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.7 Fotografía de las Tarjetas controladoras de los motores y servos

implementadas (arduino® UNO y ardurobotrónica). . . . . . . . . . . . . .

53

4.8 Sistema de paro de emergencia y fuente de alimentación. . . . . . . . . . . . 54

4.9 Interfaz gráfica implementada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.10 . Fotografía de la Tarjeta controladora diseñada con PIC para el

control de los encoders. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .

57

4.11 Fotografía de la estructura de sensores implementada. . . . . . . . . . . . 57

4.12 La figura superior izquierda muestra una fotografía de la cámara, la

superior derecha muestra el programa LABVIEW® y la inferior

muestra la imagen obtenida en la interfaz con la cámara.. . . . . . . . . . . . . .

59

4.13 Sistema de Actuadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

x

4.14 Fotografía de el Robot RETOV de anillo cerrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.15 Fotografía del robot RETOV anillo abierto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.16 La figura de la izquierda muestra el diseño en CAD y la figura de la

derecha muestra el robot implementado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

5.1 Diagrama de Velocidades de una rueda. b) Estructura robótica de

robot en tubería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

5.2 Diagrama de Desfasaje de las ruedas estructura robótica propuesta 64

5.3 Desplazamiento de la estructura un ángulo de 90 grados en la tubería 65

5.4 Simulación en MATLAB® de una rueda con un ángulo de inclinación

de la rueda de 0 grados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

5.5 Simulación en MATLAB® para una rueda girando con una trayectoria

helicoidal alrededor de la tubería con un ángulo de 15 grados. . . . . .

67

5.6 Esquemático de la estructura robótica girando helicoidalmente en la

tubería con un ángulo de 45 grados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

5.7 Modelo rueda girando alrededor de la tubería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.8 Simulación robot rotando 360 grados en la tubería y desplazándose

verticalmente sobre la misma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

5.9 Simulación robot con un movimiento helicoidal en la tubería 70

5.10 a) Geometría del movimiento helicoidal desarrollado en el plano b)

Helicoide correspondiente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

5.11 Simulación de las tres ruedas desplazándose para un ángulo ϕ de 90

grados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72


grados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73


grados.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

5.14 Esquemático de la colocación de los ejes screw en la estructura de

RETOV.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

5.15 Simulación con ϕ=0, θ=360 grados, Z=0,r=21mm,R=69.8mm. . . . . . . . .

. 77

5.16 Simulación con ϕ=0,θ=180 grados, Z=0,r=21mm,R=69.8mm. . . . . . . . . . 79

5.17 Simulación con ϕ=37, θ=960 grados, Z=1000mm,r=21mm, . . . . . . . .

R=69.8mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

xi

5.18 Simulación para un ángulo de ϕ=37, θ=360, Z=1000mm, r=21mm,

R=69.8mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79


R=69.8mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 80


R=69.8mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80


R=69.8mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 81


R=69.8mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.23 Diagrama de bloques de la estructura esquemática de control

propuesta de RETOV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

6.1 Velocidad del encoder rpm y rad/seg (rotación) 0 grado sentido 2 . . . 87

6.2 Cinemática directa Robot Rotando 0 grados sentido 2. . . . . . . . . . . . 87

6.3 Velocidad del encoder en rpm y rad/seg robot rotando. . . . . . . . . . . . 87

6.4 Cinemática directa Z

y

del Robot Rotando en 0 grados sentido 1

por la tubería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

6.5 Velocidad del encoder en rpm y rad/seg robot bajando ángulo de 45

grados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

6.6 Cinemática directa y Z

y

del Robot bajando en 45 grados por la

tubería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

6.7 Velocidad del encoder en rpm y rad/seg robot subiendo por la tubería

con un ángulo de 45 grados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90

6.8 Cinemática directa Z

y

del Robot subiendo en 45 grados por la

tubería. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90

6.9 Gráfica del desplazamiento (Z) y ángulo rotando en la tubería . . . 91

6.10 Secuencia de fotografía del movimiento rotacional en la

tubería6.3.2.Robot Movimiento translacional subiendo por la tubería

Secuencia . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

6.11 Gráfica del desplazamiento translacional (Z) y ángulo subiendo. 92

6.12 Gráfica de la distancia y rpm para un movimiento translacional

subiendo por la tubería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .

93

xii

6.13 Gráfica del desplazamiento (Z) y ángulo bajando la tubería. . . . . . . . . 93

6.14 Gráfica de la distancia y rpm para un movimiento translacional

bajando por la tubería. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .

94

6.15 Secuencia de fotografía del movimiento helicoidal bajando tubería. 94

6.16 Gráfica del desplazamiento helicoidal (Z) y ángulo subiendo. . . . . . . . 95

6.17 Secuencia de fotografía del movimiento helicoidal subiendo. . . . . . . . 95

6.18 Gráfica del desplazamiento bajando (Z) y ángulo subiendo. . . . . . . . 96

6.19 Secuencia de fotografía del movimiento helicoidal Bajando. . . . . . . . . 96

6.20 Gráfica que muestra los resultados teóricos y prácticos para un

movimiento translacional subiendo con superación de obstáculos. . . . .

97


movimiento helicoidal subiendo con superación de obstáculos. . . . . . .

98



98



99


movimiento helicoidal subiendo con superación de obstáculos. . . . . . .

100

6.25 Gráfica de resultados para tres tipos de movimiento rotacional,

translacional ascenso, helicoidal descenso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

6.26 Esquemático del sistema de control implementado. . . . . . . . . . . . . . . 101

xiii

Índice de Tablas

1.1 Características de MOV Grip 12

2.1 Requisitos del cliente 26

2.2 Tabla de resultados de requisitos técnicos 27

2.3 Tabla resumen de las características técnicas del robot 27

2.4 Tabla resumen de los casos de uso de RETOV. 29

3.1 Tabla de los coeficientes de dilatación de los materiales por incremento

de un grado de temperatura

45

3.2 Tabla de ecuación de cálculo de dilatación lineal y porcentaje respecto

a la estructura.

45

3.3 Tabla de la ecuación para el cálculo volumétrico de dilatación según el

tipo de material

45

4.1 Características Físicas de RETOV 47

4.2 Características de los motores Pololu seleccionados 49

4.3 Parámetros de las ruedas de acuerdo al motor seleccionado 49

4.4 Características servos HITEC HS-645MG 51

5.1 Matriz D-H RETOV 72

5.2 Dimensiones de la estructura 77

5.3 Localización de los ejes screw de la estructura 77

6.1 Tiempos obtenidos Robot ascenso y descenso lineal promedio 80

xiv

RESUMEN

El siguiente trabajo presenta un desarrollo innovador de un Robot de Inspección

de Tuberías, el cual fue diseñado para operación de Tuberías Verticales (RETOV Robot

de operación en tuberías Verticales (siglas en Español)). Cuando RETOV es usado para

inspeccionar pozos petroleros, puede ser controlado desde la superficie, esto permite al

operador la inspección y monitoreo del pozo.

Esto es efectuado a través de una interfaz de usuario que controla el Robot.

RETOV fue diseñado con anillos articulados que abrazan la tubería, un nuevo sistema

de amortiguación y ruedas móviles brinda la posibilidad de navegar y evitar obstáculos

en la tubería realizando tres tipos de movimientos: rotación, traslación y helicoidal.

Adicionalmente RETOV fue diseñado para realizar inspección entre dos

tuberías(la tubería de producción y el pozo petrolero), con un sistema de seguridad y

una estructura liviana, RETOV puede ser equipado con sensores para medir las

variables de interés en el pozo.

El diseño de la mecánica y el programa de control, la instrumentación, los

modelos matemáticos y resultados de las pruebas han sido descritos en esta Tesis.

Palabras Claves: ,Robot de Inspección de Tuberías de Operación Vertical, Robot de

Inspección entre dos tuberías, Robot de Inspección en Sistemas de Extracción Petrolera

con Bombas Electro sumergibles y Bombas de Cavidad Progresiva.

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ABSTRACT

The following Doctoral Thesis presents an innovative application of a Pipe

Inspection Robot, which was designed especially as Operation Robot in Vertical Pipes

(RETOV) (Robot for operation vertical pipes (Spanish acronyms)). When RETOV is

used to inspect Oil Well, can be controlled from the surface, it´s allow the operator the

well inspection and monitoring.

This is done through our interface that controls the robot. The RETOV was

designed with an articulated ring systems that embrace the pipe, a new damping systems

and mobile wheels bring the possibility to navigate and avoid obstacles into the well,

performing three types of movement: Rotational, translational and screw.

Additional, RETOV was designed to perform the inspection between two pipes

(pipe and oil well production), with a security braking systems and lightweight

structure; RETOV can be equipment with sensors to measure the variables of interest in

the well.

The hardware and Software design, the instrumentation, the mathematical

models, and the test results have been described in this thesis.

Keywords, Pipe Inspection Robot for Vertical Operation, Inspection Robot

between two pipes, Robot Inspection Oil Extraction System with electric submersible

pumps and progressing cavity pumps.

xvi

Agradecimientos: Durante mi doctorado he tenido la oportunidad de compartir con muchas personas que han influido y

guiado mis pasos para desarrollar este trabajo y otras me han dado todo su apoyo para seguir adelante.

Es por ello que quiero manifestar mi agradecimiento a todas ellas:

A Gustavo, por su paciencia por su amor y apoyo en todo momento.

A mis Hijos Gustavo, Gabriela y Gerardo por haber permitido que robara parte del tiempo que debí

dedicarles para poder realizar este doctorado.

A mi tutora Cecilia García, por todas las ideas sugeridas en el desarrollo de la tesis, por un apoyo

incondicional desde todo punto de vista mucho más que una tutora una amiga en tiempos difíciles.

A mi tutor Roque, por todo el apoyo prestado, por lo que me ha enseñado, por sus sugerencias y por

orientarme en el desarrollo de esta tesis.

A los compañeros que me han ayudado en el proyecto y han dado su gran aporte para lograr cada una de

las partes: Especialmente Gabriel y Lisandro, Pedro, Gonzalo, Eric, Alberto y Víctor.

Al Profesor Alejo Guillén, por su trabajo en la coordinación del doctorado conjunto con el Profesor

Rafael Aracil, entre las universidades Politécnica de Madrid y el Zulia.

A mis compañeros de la Universidad del Zulia: Especialmente a César Alvaréz, Ernesto Cornieles,

Germán Gutierréz, Alejo Guillen, Claudio Bustos, Mario Herrera, Soraya, Manuel Briceño quienes de

alguna forma me han dado ánimos a emprender el doctorado.

A quienes me dieron el apoyo desde el Vicerrectorado Académico de la Universidad del Zulia: Gustavo,

Mayara.

A mis compañeros de la UPM: Carol, Isela, Yaquelin, Ilka, Gabriel, Lisandro, Pedro, Gonzalo, Manuel,

Alberto, Eric, César, Héctor, Ibeth, Rolando, Iván, Wiliam, Julio, Alex, Victor, Julian por sus ideas

aportadas.

A Teresa, Carlos, Rosa Ortiz, Ángel y Jaime, Manuel Ferre, por toda la ayuda durante el doctorado.

A mis Padres: Nancy y Ramón, Tita, Rossana, Eleazar, Ramón, Nancy, mis sobrinos, y Tías, Maria

Esther, Esperanza, Cheo y todos que desde lejos siempre estuvieron dándome ánimos para seguir

adelante.

A todos aquellos quienes me han ayudado y he olvidado colocar aquí sus nombres.

Y sobre todo a Dios que en los momentos difíciles me llevo de su mano para continuar adelante.

1

1INTRODUCCIÓN Desde los inicios incipientes de la robótica como ciencia aplicada a la industrial a finales del siglo pasado, muchas y variadas han sido la diversidad de aplicaciones en la que se ha encontrado un marco de desarrollo e innovación para esta área de la automática. Entre muchas otras se podría citar la medicina, la aeronáutica, la biología, etc.; sin embargo sigue siendo el sector industrial el que más demanda y exige soluciones que requieren de la utilización de un robot para mejorar la calidad de un producto. De una de estas principales demandas, ha surgido la necesidad de disponer de un sistema robotizado para la realización de tareas de inspección y mantenimiento en diferentes partes del proceso productivo. Esto se debe justamente a la vital necesidad de realizar tareas de prevención con el fin obtener un producto de calidad y reducir costes. Consecuentemente, es necesario destinar esfuerzos a las investigaciones en robótica de servicios y, esta Tesis constituye una novedosa aportación al sector. La inspiración de este trabajo de investigación surge de una necesidad real de la industria petrolera: disponer de un sistema robotizado capaz de introducirse entre el pozo petrolero y la tubería de producción. Este espacio, que es reducido y de difícil acceso no contaba, hasta ahora, de un sistema de inspección y mantenimiento capaz de prevenir la costosa tarea que implica cerrar un pozo de petróleo por daños perfectamente evitables.

Este capítulo tiene como objeto presentar el estado actual de diferentes robots para tuberías así como también aquellas aplicaciones para la inspección en superficies verticales. Sin embargo, es necesario aclarar que no existe ningún dispositivo robótico destinado a la realización de tareas de inspección y mantenimiento de tuberías petroleras. En este primer capítulo se presenta además el marco de desarrollo de la Tesis Doctoral, sus objetivos, los aportes y la organización de la misma.

1.1. ESTADO DEL ARTE DE ROBOT DE SERVICIO En este apartado se revisa el estado actual de la técnica de los robots de inspección de tuberías. Existe una gran cantidad de configuraciones mecánicas para robots de tuberías. Las investigaciones en las que se han desarrollado robots para este tipo de tareas, se pueden clasificar en dos grandes grupos: de acuerdo al lugar donde se utilizan: internas a la tubería o externas a la misma. Cuando se utilizan dentro de la tubería, pueden tener dos formas de operación:

• Aquellos que se mueven en el fluido de la tubería pudiendo destacar los tipo ¨PIG¨ (Pipeline Inspection Gauges), muy utilizados en la industria petrolera en oleoductos. Sin embargo existen muchas otras configuraciones mecánicas diseñadas para aplicaciones específicas de

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inspección de tuberías, algunas de ellas serán descritas detalladamente en el estado del arte presentado a continuación.

• Aquellos que requieren drenar el líquido que contiene la tubería o bien

que la tubería no lleve líquidos presentándose también en la bibliografía variados desarrollos de este tipo.

1.1.1. ROBOTS DE INSPECCIÓN DENTRO DE LA TUBERÍA PIG Los primeros PIG desarrollados se caracterizaban por el movimiento en el sentido del flujo que circula por la tubería, posteriormente se le ha querido agregar características inteligentes incorporándosele otro tipo de estructuras que le permiten su movilidad en diferentes direcciones en el fluido.

En la Figura 1.1 se presenta el robot desarrollado por los investigadores Zheng y Ernest (Zheng & Ernest, 2005). Tal y como se muestra en la figura, este robot dispone de una turbina que le permite desplazarse en uno u otro sentido dentro del fluido de la tubería. Se caracteriza por utilizar una carga ajustable en la turbina para variar la velocidad de la misma la cual se mide con tacómetros y con sensores de fuerza.

Figura 1.1: Robot PIG

Actualmente los métodos más utilizados para inspeccionar los problemas en tuberías utilizando PIG son los métodos magnéticos y ultrasónicos, pudiendo con ellos determinar las pérdidas de material y grietas que puede presentar la tubería.

Una variante del PIG anterior desarrollada por Jun et.al, (Jun, Deng, & Jiang, 2004) permite el desplazamiento en oleoductos de alta mar, con la finalidad de detectar defectos en la tubería con un sistema de ultrasonido. Los datos son registrados en un computador y procesados para ubicar posibles abolladuras e imperfecciones que puedan existir durante el recorrido del robot por la tubería. Para determinar la distancia a la cual se produce la avería se utilizan marcadores magnéticos y la odometría instalada en el robot.

En la Figura 1.2 se muestra el robot desarrollado por las universidades chinas de Harbin y Jilin (Jun, Deng, & Jiang, 2004). Dispone de cinco partes claramente diferenciadas: la parte de propulsión que le permite el desplazamiento en el fluido, el controlador y la fuente de alimentación, la herramienta de inspección por ultrasonido y la que procesa los datos. Mecánicamente posee un sistema de cabinas herméticas que le

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permite contener la electrónica. Puede moverse a velocidades del orden de 150 mm/seg. en líquidos cuya presión esta en el orden de los 2MPa.

El sistema posee una autonomía de 40 horas y cuenta con una estructura de seis

ruedas accionadas por un motor. También se le pueden incorporar sensores de presión, humedad, temperatura. Posee seis ruedas de tracción y utiliza baja potencia.

Hay muchos otros robot tipo PIG como el desarrollado por (Wang, Cao, Luan, & Zhang, 2008)(ver Figura 1.3). En esta investigación se utiliza este robot para la inspección de tuberías petroleras. Este robot cuenta con seis ruedas que al hacer presión con las paredes de la tubería se desplaza por esta, es inalámbrico, pesa 62 Kg y posee una batería 12 Kg utilizando herramientas de ultrasonido para detectar defectos en las tuberías.

Figura 1.2: PIG utilizado en la industria petrolera.

Figura 1.3: Robot para inspección de tubería.

Dentro de los robots en los cuales se requiere drenar parcialmente el líquido que va por la tubería se encuentran los siguientes: MRINSPECT IV

Este robot de inspección de tubería ha tenido un desarrollo con varias versiones que van desde la I hasta la IV, (Roh, 2001-2002), (Se-gon & Choi, 2005), (Hyouk Ryeol & Se-gon, 2007), (Jun, Tao, & Zongquan, 2011). En la Figura 1.4 se muestra una de ellas. Este robot se caracteriza por su adaptabilidad a los diferentes patrones de la tubería.

Utilizados en gaseoductos urbanos, posee un sistema que le permite plegar su estructura hacia delante o hacia atrás lo que le da gran movilidad. Mecánicamente el cuerpo está constituido por tres vínculos plegable distribuidos cada 120 grados alrededor de la estructura con una rueda en cada uno de los extremos accionadas por un

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motor. Dispone de una cámara para la visión en la tubería. Alcanza una velocidad máxima de 9 m/seg.

Debido a que cada rueda es controlada individualmente el control de la

estructura es más riguroso y difícil. La superficie de contacto de la rueda no es buena esta se ve sujeta a

deslizamientos por lo que el estudio geométrico de la estructura es cuidadosamente revisado para evitar estos deslizamientos y para lograr navegar en codos, ramas, etc.

Figura 1.4: Robot MRINSPECR IV.

RADAR

El robot RADAR desarrollado por (Dunnihoo & Harthorn, 2003) se muestra en la Figura 1.5. Este es un desarrollo conjunto de ABB Vetco Gray y Global Automated Systems, en servicio desde 2001. Este robot permite la inspección in situ de las tuberías, ha sido desarrollado para el sector del petróleo y del gas.

La inspección se realiza cuando es necesario extraer la tubería del pozo por

cuestiones operativas. Esto ahorra tiempo y dinero ya que las tuberías no tienen que ser trasladadas a los laboratorios especiales para su inspección.

Entre otras ventajas, RADAR permite prescindir de la manipulación especial o de la preparación externa, propias de los métodos de inspección tradicionales. Posee dos configuraciones una de tuberías de gran diámetro y otra para tuberías pequeñas cuyo diámetro varía entre 3 y 24 pulgadas.

Con RADAR se puede detectar problemas de soldadura de la tubería y tener una visión interna de la misma. Se está desarrollando una nueva versión RADAR-V en la cual no será necesario desmontar las tuberías ascendentes.

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Figura 1.5: RADAR Robot para la inspección del interior de tuberías.

PAROYS II En la Figura 1.6 se muestra el robot desarrollado por Park (Park, Jeon, Kang, Yang, & Park'S, 2011). Posee un sistema de tracción de tres orugas que le permiten su desplazamiento por el interior de las tuberías. Posee un sistema de navegación que le permite desplazarse a varios diámetros de tubería

Cada oruga dispone de tres módulos: modulo de pista, modulo central y un modulo pantógrafo tipo adaptativo la longitud del pantógrafo varia para adaptarse a la tubería y de esta forma estar siempre en contacto con esta. De este modo se desplaza en la tubería superando las irregularidades que se puedan presentar en la misma.

La cinemática desarrollada en este robot utiliza la teoría del screw. Los investigadores desarrollaron un novedoso método de navegación que emplea el Jacobiano del robot (Mateos & Vincze, 2011), (Qi, Zhang, Chen, & Ye, 2009), (Adrian, Mihai, & Vistrian, 2011), (Kwon, Lim, Jung, & Yi, 2008), (Kwon & Yi, 2009). El robot propuesto anteriormente posee una estructura con desfasajes de sus ruedas de 120 grados.

Figura 1.6: Robot PAROYS II.

KANTARO

Es un robot de uso comercial para la inspección del alcantarillado y se puede observar en la Figura 1.7. Este trabajo fue desarrollado por el Instituto de Tecnología de

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Hibikino (Nassiraei, Kawamura1, Ahrary, Mikuriya, & Ishii, 2006), (Amir A. F. Nassiraei, 2007) y el robot es capaz de moverse en tuberías rectas, codos y curvas.

Además puede llevar en su cuerpo una estructura de sensores que le permite la

inspección de las tuberías. Posee un sistema inteligente y modular, tiene una cámara para realizar la inspección y detectar así posibles fallos. Lleva en su estructura cuatro motores, baterías de litio. Incluye un laser inteligente, dos sensores infrarrojos para la detección de daños y un sensor de movimiento para la navegación. Fue desarrollado para tuberías de 200mm hasta 300mm de diámetro, sin conexión vía cable.

Adicionalmente se le colocó un cable de fibra óptica que no solo le permite la

trasmisión de la información sino también le permite la recuperación del robot en caso de falla del mismo.

Figura 1.7: Robot KANTARO.

1-IN PIPES

El robot desarrollado por (Suzumori, Miyagawa, Kimura, & Hasegawa, 1999). Se puede observar en la Figura 1.8. Tiene 23 mm de diámetro y 110 mm de longitud. Está equipado con una cámara, una mano doble con un sistema hidráulico para manipular objetos pequeños en las tuberías.

La estructura puede desplazarse con un sistema de ruedas accionado por motores

a través de los tubos verticales y curvas secciones pequeñas de difícil absceso. Su velocidad de operación es de 6mm/seg. y su peso es de 16 grs.

Figura 1.8: Robot 1-in pipes.

ROBOT EN TUBERIA Otro prototipo interesante para la inspección de tuberías es el desarrollado por (Li, Ma, Li, & Wang, 2007).

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Este robot presenta dos formas de trabajo la primera consiste en realizar tareas de supervisión desplazándose en el interior de la tubería (Ver Figura 1.9). La segunda forma de trabajo asistida por actuadores, le permite evadir pequeños obstáculos para lo cual utiliza un sistema de actuadores en cada una de las ruedas. Se realizaron pruebas obteniendo un desplazamiento recto por el interior de la tubería a una velocidad de 163mm/s.

Figura 1.9: Robot de inspección interno de tuberías.

ROBOT PLANO PARA LA INSPECCION DE TUBERIAS Un prototipo plano basado en cadenas fue diseñado por (Kwon, Lee, Whang, Kim, & Yi, 2011). Ver Figura 1.10.

Este robot presenta dos cadenas de ruedas desfasadas 180 grados accionada por dos motores uno para la dirección de 30Nm y otro para la conducción de 150 Nm, que le permiten adaptarse a tuberías de diámetros de 80-100mm. Su estructura puede incorporar sensores si la aplicación así lo requiere.

Este robot, a diferencia de los anteriores, cuenta con dos cadenas de ruedas que

le permite el desplazamiento por tuberías en T. Esta estructura robótica presenta las siguientes dimensiones. Longitud: 80mm.

Diámetro máximo: 100mm. Peso: 237 gramos.

Posee tres modos de operación: modo de conducción, modo de detección y modo de búsqueda. Posee un sistema que le permite plegarse por lo que es capaz de adaptarse a las variaciones de diámetro que pueden tener la tubería por donde se realiza la inspección. Con el modo de conducción el robot se mueve hacia delante o hacia atrás en la tubería.

Figura 1.10: Robot con dos cadenas para la inspección interna de tuberías.

Otros robots que se mueven por el interior de las tuberías verticales son los tipo serpientes se muestran a continuación:

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Existen numerosas investigaciones con robot tipo serpiente. Una de ellas es el

robot tipo serpiente construido por (Shapiro, Greenfield y Choset 2007) (Figura 1.11.). Se desliza por la tubería vertical gracias a la fricción. El control está basado en la estabilización de una secuencia de puntos de consigna, el modelo desarrollado toma en cuenta la compresión en el punto de contacto que es muy importante para los modelos de robot trepadores para prevenir deslizamientos y mejorar la estabilidad.

Figura 1.11: Robot tipo serpiente en tubería Vertical.

FAMPER

En la Figura 1.12 se muestra el robot desarrollado por Kim et. al, (Kim, Sharma, & Iyengar, 2010) para la inspección interna de tubería. Cuenta con cuatro orugas que se mueve haciendo presión contra las paredes de la tubería, cada oruga utiliza dos motores DC, las velocidades que se manejan en las orugas son diferentes para permitir la movilidad de la misma por la tubería. Puede viajar por tuberías de 45 y 90 grados, por T y ramas. Posee un fuerte sistema de seguimiento para la navegación de forma autónoma en la tubería. Posee una estructura de sensores compuesta por acelerómetro 3D, brújula y codificador rotatorio.

También dispone de una cámara de Radio Frecuencia para tener visión de lo que

ocurre durante el recorrido por la tubería, al cual se le incorporó un sistema de LED para mejorar la iluminación en el ambiente. El control del robot se realizó con un PIC16LF88. En los casos más críticos el robot queda con dos orugas en contacto con la tubería lo que le hace perder tracción especialmente para los desplazamientos verticales, por lo que se diseño dos sistemas distintos para mejorar la tracción en la tubería. Uno de oruga inclinada para que siempre tres orugas estén en contacto con la tubería y otro de oruga flexible dividida en tres partes del frente medio y posterior con un ángulo de inclinación es de de 30 grados (segmentada).

Adicionalmente posee un sistema extensible que tendrá como finalidad en el futuro incorporar un brazo para la manipulación en su recorrido por la tubería.

Este robot puede desplazarse en tuberías horizontales y verticales. Posee un

sistema de muelles que permite variar la distancia entre el centro del robot y las paredes por donde se desplaza.

.

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Figura 1.12: Robot FAMPER.

OMNITREAD OT-4 Este robot consta de siete segmentos, que están vinculados entre sí por las articulaciones de los 2 grados de libertad. La característica de diseño más importante y único de la OT-4 es el uso de fuelles neumáticos para accionar las articulaciones. Posee dos compresores a bordo y un sistema de baterías para la alimentación durante 75 minutos de operación. Posee un sistema de micro garras controlados por un ordenador con un sistema de control inalámbrico para el envió de los comandos del sensor y la telemetría.

Se desarrolló un controlador que puede controlar simultáneamente la posición y desviación angular, así como la rigidez de cada articulación. Posee un motor en el centro de la estructura que funciona como eje de accionamiento con 7 segmentos rígidos conectados a seis juntas universales. Se realizaron ensayos en los cuales el robot subió por superficies verticales por el interior de una tubería de 10 pulgadas (Ver figura 1.13) (Borenstein & Hansen, 2007) (Granosik1, Borenstein, & Hansen, 2007).

Figura 1.13: Robot OMNITREAD OT-4.

SHRIMP-LIKE En la Figura 1.14 se puede observar el robot desarrollado por (Tache, Fischer, Moser, Mondada, & Siegwart, 2007). Es un robot trepador con ruedas magnéticas.

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El mecanismo costa de dos brazos articulados y ruedas que le permiten sortear

pequeños obstáculos. El mecanismo de brazos que posee permite disminuir el número de ruedas magnéticas que necesitaban robot de este mismo tipo.

La principal ventaja que presenta este robot es que puede adaptarse a varios diámetros de tuberías férreas.

Figura 1.14: Robot SHRIMP-LIKE.

1.1.2. ROBOT DE INSPECCIÓN DEL EXTERIOR DE SUPERFICIES Dentro de los robots para la inspección exterior de tuberías se pueden destacar los siguientes: TREPA Este robot utiliza una plataforma Stewart-Gought (G-S) como robot trepador para labores de supervisión. La Figura 1.15 muestra al robot trepador Trepa (Aracil, Saltaren, Scarano, & Bermejo, 2004). El Trepa es un Robot Teleoperado concebido para la realización de tareas de supervisión.

Figura 1.15: Robot TREPA.

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SKICKYBOT La Figura 1.16 muestra al robot bioinspirado Skickbot (Kim, y otros, 2007). Este robot es capaz de desplazarse por paredes verticales lisas, vidrio plástico, con forma de lagarto es capaz de trepar en superficies verticales. Posee un torso superior e inferior, extremidades anteriores reforzadas en fibra de carbono, sistema de cuatro dedos. Un servomotor acciona los miembros de los pies. El objetivo de la estructura es trepar en superficies de 90 grados a velocidades de 4 cm/s. Utiliza el control de fuerzas para escalar las superficies lisas.

Figura 1.16: ROBOT STICKYBOT.

Un robot bioinspirado en Gecko creado por (Menon, Murphy, & Sitti, 2004) se puedes observar en la Figura 1.17. Este robot se utiliza en la escalada de muros y paredes verticales. Posee en su estructura un sistema de adhesivos que le permite escalar distintas superficies y su sistema de locomoción es mediante orugas.

Figura 1.17: Robot Bioinspidado en GECKO.

ANCHOR CLIMBER Este es un robot magnético y escalador de paredes. Se utiliza para tareas de inspección y mantenimiento de buques y barcos de grandes dimensiones (Kitai, Tsuru, & Hirose, 2005). Se desarrollaron dos diferentes prototipos de diferentes tamaños y a través de imanes permanentes logra desplazarse sobre las superficies metálicas verticales. Presenta gran movilidad y gran capacidad de carga útil hasta 70 Kg aproximadamente. En la Figura 1.18 se pueden observar al robot ANCHOR CLIMBLER en sus dos versiones. Este robot también se ha utilizado para la realización de tareas

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inspección preventivas para evitar la corrosión de tanques de almacenamiento de petróleo (Okamoto, y otros, 2011).

Figura 1.18: Robot ANCHOR CLIMBER: En su versión estándar y pequeña.

MOVGRIP En la Figura 1.19 se puede observar un robot móvil en forma de pinza (Chung, Li, Chen, & Xu, 2011). Este robot es capaz de moverse en varios tipos de superficies verticales horizontales puentes, estructuras, tuberías, etc.

Figura 1.19. Robot MOVGRIP.

El robot presenta un mecanismo de pinzas paralelas y rotacionales. Dispone de ruedas que le permiten su desplazamiento en horizontal o vertical. Alcanza una velocidad de 3cm/s y puede llevar una carga del doble de su peso. La fuerza de agarre del MOVGRIP la proporciona cuatro muelles dispuestos en forma rectangular. En la Tabla 1.1 se resumen las principales características físicas del robot.

Tabla 1.1. Características de MOVGRIP.

Carga Horizontal 1,75 Kg Carga Vertical 1,25 Kg Carga máxima al revés 1 Kg Velocidad de escalda Vertical 3 cm/seg Velocidad de desplazamiento Horizontal 5cm / seg Velocidad de desplazamiento al revés 6,8 cm/seg

En la Figura 1.20 se presenta un robot desarrollado por Xu et. al, (Xu, Wang, &

Cao, 2011). Está constituido por dos módulos y un par de ruedas en cada extremo, utiliza transductores de contacto para detectar el final de la tubería. Una vez que ha

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alcanzado este punto, se libera un mecanismo que permite su deslizamiento sobre la tubería.

Este novedoso prototipo también se ha utilizado para la inspección de las guayas de

los puentes. Tal y como se observa en la figura, posee dos módulos unidos por unas barras de unión que permiten el ajuste a la superficie sobre la cual se desplaza. Si bien es aparatoso, resulta ser un desarrollo compacto y ligero de peso capaz de soportar cargas de hasta 3Kg. El sistema de locomoción que dispone, le permite superar obstáculos de hasta 5mm.

Figura 1.20. Robot para inspección de puentes

Adicionalmente a esta revisión bibliográfica, se ha realizado una de patentes

nacionales e internacionales que es presentado en el Anexo A-1. Del mismo modo, en el Anexo A-2, se muestra un detallado estado del arte relacionado a los métodos de extracción de petróleo y la tecnología actualmente utilizada. 1.2. MARCO DE TRABAJO Esta Tesis parte de la hipótesis de que la industria petrolera dispone de cualquiera de los métodos de extracción que utilice bombas sumergibles que permiten extraer el crudo directamente desde el yacimiento y, como consecuencia, la bomba extractora está situada en el fondo del pozo. Tal y como se muestra en el Anexo A-2, la modernización de la extracción de petróleo justamente se basa en la utilización de estas bombas. Las bombas electro sumergibles son hoy en día la tecnología de punta dado los volúmenes que manejan, la fiabilidad de sus equipos y la independencia en la producción al poseer cada pozo su propio equipo. Si bien existe una gran variedad de bombas sumergibles, en esta Tesis se contemplan dos modelos: aquellas donde el motor y la bomba están dentro del pozo (bombas electro sumergibles tipo “BES”), y aquellas donde el motor se encuentra en la superficie y la bomba dentro del yacimiento (bombas de cavidad progresiva tipo“BCP”). La innovación propuesta en esta Tesis consiste en el desarrollo de un sistema robotizado que pueda ser introducido en el pozo, y se desplace por el espacio que existe entre las paredes del pozo y la tubería extractora.

Previamente al desarrollo del robot, se realizó una investigación en el ámbito

petrolero cuyos resultados reflejan la necesidad de poder realizar intervenciones en los pozos. A pesar de que se dispone de sensores de fondo, estos se ven sometidos de forma continua a las condiciones adversas que se presentan en el pozo. Esto provoca el daño

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irreparable de los mismos por lo que tener el sistema de medición móvil contribuye al mantenimiento de los dispositivos y del pozo en sí mismo. Consecuentemente se evitan las pérdidas económicas que se producen cuando el pozo debe clausurarse por causas que podrían fácilmente evitarse con la presencia de un dispositivo inteligente dentro del mismo. Por todo lo anterior, se justifica la investigación y el desarrollo de un sistema robotizado capaz de desplazarse entre dos tuberías no necesariamente concéntricas y, que porte sobre su estructura una red se sensores que permitan inspeccionar y mantener la tubería y las variables físicoquímicas del pozo. De este modo se minimizan las pérdidas económicas de la instalación. (Urdaneta & Saltaren, Estudio del sistema de tracción de una estructura robótica para tuberías en sistema de extracción petrolera con BES y BCP, 2008).

1.2. OBJETIVO GENERAL Investigación y desarrollo de un sistema robotizado para desarrollar tareas de inspección entre dos tuberías no necesariamente concéntricas. De este modo el robot podrá inspeccionar el exterior de una de las tuberías y el interior de la otra al mismo tiempo. La aplicación inmediata se realiza en las tuberías petroleras que presentan la topología antes mencionada. En esta industria, la extracción del petróleo se realiza mediante bombas electro-sumergibles. Sin embargo el robot desarrollado puede ser utilizado para labores de inspección y mantenimiento de cualquier tipo de tubería y cualquier diámetro. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Estudio del estado del arte sobre robots dedicados a inspección y mantenimiento de tuberías.

• Evaluación objetiva sobre la aceptación de este tipo de tecnología en el sector petrolero.

• Estudio sobre la ingeniería de requerimientos necesaria para el diseñar la estructura robótica para la inspección de tuberías.

• Construir la estructura robótica diseñada. • Diseñar la arquitectura de control básica que permita la implementación de

algoritmos de control para la estructura robótica construida. • Desarrollar una interfaz de usuario que permita al operador controlar

remotamente el robot a introducir en la tubería petrolera. • Implementar los algoritmos de control propuestos en un sistema para la

operación experimental.

1.4. MOTIVACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN La presente investigación es producto de una necesidad planteada en un estudio realizado en el ámbito petrolero. Dicho estudio refleja las malas condiciones de acceso

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que tiene una perforación petrolera. Por lo tanto, medir y controlar de las variables del pozo es una tarea compleja.

Por otro lado, los expertos en el sector manifestaron la necesidad de disponer de un sistema inteligente que les permita recuperar objetos que en diversas ocasiones caen en el pozo cuando se realiza labores de operación y mantenimiento del mismo. Esto provoca la clausura del pozo y la apertura de uno nuevo en inmediaciones del clausurado. El objetivo de esta investigación es dar una solución a la dificultad de acceso a los pozos petroleros; sin embargo, este robot puede ser utilizado en todo tipo de tubería que se requiera un mantenimiento o inspección externa de la misma: oleoductos gasoductos, tuberías de instalaciones industriales, las utilizadas en edificios, postes de cualquier material, o en las tuberías de los fondos marinos. Del mismo modo, el sistema diseñado podrá ser utilizado en aquellas aplicaciones de difícil o peligroso acceso de manera teleoperada, siendo esto último una de las mejores soluciones tecnológicas propuestas en estos casos. Este innovador desarrollo aporta una nueva tecnología al sector petrolero ya que facilita el acceso al interior del pozo de forma controlada para poder realizar diferentes labores. Igualmente permite acceder de forma automatizada a diferentes espacios en los cuales una tubería se encuentra contenida dentro de la otra, donde se desee realizar: medición, toma de muestras o visión. El prototipo robotizado desarrollado en esta Tesis denominado Robot en Tuberías de Operación Vertical, RETOV, se muestra en la Figura 1.21. Tiene dos grados de libertad y su locomoción se realiza mediante ruedas dispuestas a 120º en la estructura. Una de las principales características mecánicas de este robot es su capacidad de adaptabilidad a tuberías de diferente diámetro agregando en serie módulos. Además cuenta con un sistema de locomoción mediante ruedas que hacen que pueda ascender y descender de manera vertical o con movimientos helicoidales.

Figura 1.21: Robot RETOV en CAD.

Este prototipo ha sido probado en el entorno de laboratorio utilizando una tubería petrolera estándar. Sus medidas son 13.4 cm de alto y con una capacidad de adaptabilidad de diámetro entre 140 y 210 mm. Esta característica puede ampliarse adicionando más módulos mecánicos en serie. Su peso es de aproximadamente 1 Kg. El control de los accionamientos se realiza a través de una interfaz gráfica desarrollada íntegramente en LabView®.

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El robot cuenta con sensores, para indicar su estado de funcionamiento de la bomba en el pozo, los cuales envían sus lecturas a un computador en la superficie para mantener informado al operador y almacenar los datos para el análisis de su comportamiento. Tal como se ha mencionado, el prototipo desarrollado mejora notablemente la maniobrabilidad si se lo compara con otros desarrollos reportados en el Estado del Arte. Esto se debe a que su capacidad de orientar sus ruedas le permite realizar varios tipos de desplazamientos rotacional, longitudinal y helicoidal. Adicionalmente a estas características se presenta la posibilidad de amortiguación para salvar pequeños obstáculos que se pueden presentar en el recorrido de la tubería. El modelo matemático requiere de varias etapas que para su desarrollo estas etapas las podemos desglosar de la siguiente forma:

Figura 1.22: Fotografía del Robot RETOV

Identificación del problema. En esta etapa se recolecta y analiza la

información importante para el diseño del robot. En esta etapa cobra gran importancia la participación de los ingenieros de petróleo como así también el personal técnico del área. Aquí se realizó un estudio estadístico que permitió traducir los requerimientos de los expertos y poder realizar un modelo físico y matemático del mismo. Los resultados obtenidos podrán con algunas modificaciones de materiales trasladarse a situaciones reales que pudiesen dar realismo a aplicación planteada.

Especificación Matemática y formulación. En la cual se analiza el problema y se establecen las restricciones, es decir, es la etapa en la cual hay que prestar especial atención en la escritura y formulación del problema.

Resolución. Se trata de implantar un algoritmo de obtención de la

solución numérica muy próxima a la matemática óptima o cuasi óptima. Verificación, validación y refinamiento. En esta etapa se pretende

depurar y verificar el modelo minimizando los errores. En esta etapa es importante verificar y validar los resultados obtenidos y mejorar en lo posible la capacidad de representación del modelo a situaciones reales.

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Interpretación y análisis de los resultados. Esta etapa consiste en poner soluciones. Detectar soluciones alternativas pero suficiente atractivas. Comprobar la robustez de la situación óptima.

Implantación documentación y mantenimiento: Esta etapa es muy

importante en el desarrollo del modelo ya que garantiza su difusión. La documentación explicativa del modelo debe ser clara precisa y concreta. En el manual del usuario se debe incorporar especificaciones técnicas y funcionales de la estructura. El propio código debe incluir documentación para facilitar la tarea de mantenimiento. Ya que el mayor ciclo de vida del modelo se corresponde con la fase de uso y mantenimiento.

1.5. ESTRUCTURA DE LA TESIS Esta Tesis Doctoral consta de siete capítulos que brevemente se describen a continuación. • Capítulo 1. Se hace un aporte del estado del arte de los robots de inspección de tuberías y que operan en superficies verticales. En este estado del arte se realiza una clasificación de los robots en tuberías y algunas descripciones de patentes en el área. Posteriormente se plantea los principales objetivos a cubrir en esta tesis doctoral, para finalizar con la exposición de la estructura de este trabajo y los aportes del mismo. • Capítulo 2. Se presenta la ingeniería de requerimientos para definir los criterios de diseño del robot diseñado. Se exponen los resultados sobre las opiniones de los expertos del sector. La metodología utilizada es bien conocida y se denomina Quality Funtion Deployment, QDF por sus siglas en ingles. Por otro lado se realiza un estudio de los requerimientos mínimos necesarios para el desarrollo de la interfaz de usuario. • Capítulo 3. Se presentan la concepción del mecanismo, para el diseño de robots, y se describe el diseño de cada parte de prototipo RETOV. Del mismo modo se describe la estructura mecánica detallada en la primera parte del capítulo así como las características principales de esta. Finalmente se realiza un análisis de los materiales que se pueden utilizar en la estructura. • Capítulo 4. Se presenta la implementación de RETOV, además de la construcción mecánica del mismo, se describe la arquitectura de hardware y software utilizada para el control del RETOV. En ella se presentan los equipos, los sensores, las interfaces de comunicación y los elementos finales de control utilizados. Se hace una descripción de la interfaz de usuario. • Capítulo 5. Se desarrolla el modelo cinemático del robot y se muestran los resultados de simulación de dicho modelo. • Capítulo 6. Se muestran los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio utilizando una tubería petrolera real. De este modo se validan a nivel experimental los resultados teóricos y de simulación. Por otro lado queda demostrada la versatilidad del sistema en la implementación.

18

• Capítulo 7. Se detallan las principales conclusiones que se han derivado de la realización de esta Tesis y se enumeran los posibles trabajos futuros relacionados con la investigación desarrollada.

1.6. CONCLUSIONES

En la sección se han presentado las principales líneas de investigación, así como algunos casos de robots de inspección de tuberías y robots que se desplazan en tuberías o superficies verticales. También se realiza un breve estudio de los sistemas de extracción petrolera que es el entorno donde se desplazará la aplicación.

Posteriormente se establecen los objetivos generales y específicos la motivación de

la investigación, se describe la estructura de la tesis y los aportes de la misma.

1.7. APORTES DE LA TESIS Se presenta un estudio del estado del arte de robot de inspección de tuberías y de robot de desplazamiento en superficies verticales. Se realizó la ingeniería de requerimiento para establecer los parámetros de diseño de la estructura robótica y de la interfaz de usuario. Utilizando una Metodología que permite realizar el diseño de productos (función de calidad) metodología que se adecue a este trabajo. Se muestran los pasos llevados a cabo para el diseño y construcción de un robot RETOV, lo que representa una aportación original y fue plasmada en una patente que fue concedida en la oficina de Patentes y Marcas de España con el No. P201131691, No Publicación ES2370897. Como consecuencia del trabajo realizado para este robot RETOV, se desarrollaron conceptos originales basados en modelos matemáticos para el robot diseñado. Se presenta una arquitectura original de hardware y software, y el desarrollo de algoritmos de control de este vehículo utilizando los modelos de robot móviles para esta aplicación y control de posición. Se realizó un análisis de elementos finitos (FEA) para determinar cualitativamente en que porcentaje mejora las características del robot al construirlo con otros materiales. Así como también se estudio cualitativamente como se ve está afectado por las condiciones de temperatura. Se diseñó un sistema de frenado que permite posicionar al robot en un punto determinado de la tubería o frenarlo en el caso de contingencia. Este sistema es bueno ya que no requiere de energía para mantener al robot en la posición deseada.

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La estructura diseñada es ligera y es capaz de vencer la gravedad por lo que se desplaza sin problemas de forma vertical. Se implementó el diseño realizado con el cual se obtuvieron resultados satisfactorios para la aplicación de robot en tuberías verticales. Debido a que el robot está restringido a la tubería, se realizó el modelo cinemático por geometría representado con screw para la estructura diseñada el cual fue implementado en simulación y en el robot de manera satisfactoria. Se utilizó un algoritmo de control de posición, los resultados obtenidos de las pruebas muestran el buen desempeño del control de posición presentado, para la aplicación. La estructura diseñada basada en anillos es modular, por lo que puede intercambiarse piezas, es decir, las piezas y motores del anillo cerrado pueden ser utilizadas en el anillo abierto lo que le da gran versatilidad al sistema. Se desarrolla e implementa una interfaz de usuario original para el control y el desplazamiento del robot en la tubería con tres movimientos, longitudinal, rotatorio y helicoidal dependiendo de la posición servo controlada de las ruedas diseño este novedoso para este tipo de aplicación. Se desarrolló e implementó un sistema de amortiguación para salvar pequeños obstáculos en la tubería. Desde el punto de vista experimental, se realiza un nuevo aporte al comprobar el funcionamiento del primer robot para tuberías en pozos petroleros, en el que se determinaron sus modelos matemáticos y se comprueba el funcionamiento del sistema de control planteado. Previo a el desarrollo de este prototipo se realizó un diseño basado en estructura tensegrity igualmente novedoso que fue producto de varios artículos en revistas y congresos. Finalmente se presenta una propuesta novedosa para la implementación de un dispositivo robótico para inspección de tuberías petrolera. En esta propuesta se incluye los objetivos a desarrollar en esta tesis doctoral, las nuevas contribuciones que se aportan a la robótica en pozos petrolero y la presentación de la estructura de este trabajo.

CONGRESOS NACIONALES María Alejandra Urdaneta, Roque Saltaren, ¨Estudio del sistema de tracción de una estructura Robótica para tuberías en sistemas de extracción petroleras con BES y BCP¨. Jornadas de Automática CEA XXIX Tarragona 2008

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María Urdaneta, Roque Saltaren, Ruben Ugarte, Dorin Copaci, Cecilia Garcia, ¨Desarrollo del primer prototipo de un robot para inspección de tuberías petrolíferas verticales: RETOV¨, XXXI Jornada en Jaén, 8 al 10 Septiembre 2010, P80

CONGRESOS INTERNACIONALES María Alejandra Urdaneta, Cecilia García, Roque Saltaren y Manuel Cardona, ¨Implementación de Robot Prototipo para la Inspección de Tuberías en Pozos Petroleros¨. Concapan XXXI, 2011 Cecilia Garcia, María Urdaneta, Roque Saltaren, Rubén Ugarte, Carlos Soria, Pedro Cardenas, ¨Desarrollo del primer prototipo del robot RETOV para inspección de tuberías petroleras¨. VI Jornadas Argentinas de Robótica JAR 2010, Pp46-51.

REVISTAS IMPACTADAS

1. María Alejandra Urdaneta, Cecilia García, Roque Saltaren, Gustavo Contreras y Gonzalo Ejarque, “Metodología para definir los criterios de diseño de una estructura robótica en tuberías petroleras de operación vertical”, Publicado en la revista Técnica de Ingeniería de la Universidad del Zulia, aceptado para ser publicado en esta Revista en el Volumen 35, Nº 2; Agosto 2012.

2. Urdaneta, María Alejandra; García, Cecilia; Saltaren, Roque; Contreras,

Gustavo; Ugarte, Rubén. ¨Estructura Robótica Pre-Tensada para Robot en Tuberías Petroleras¨. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial. 2012; 09 :135-43 - vol.09 Nº 2.

3. María Alejandra Urdaneta, Cecilia García, Gabriel Poletti, Gonzalo Ejarque, Roque Saltaren and Rafael Aracil. Development of a Novel Autonomous Robot for Navigation and Inspect in Oil Wells. Journal of Control Engineering and Applied Informatics. CEAI, Vol.14, Nº 3, pp. 9-14, 2012.

PATENTE Título de la invención: APARATO PARA LA INSPECCION DE TUBERIAS.

Autores: María Urdaneta, Cecilia García, Roque Saltaren. Concedida el 29/03/2012. Número de patente o CCP: ES 2370897 A1. Clasificación Internacional de Patentes: B08B 9/023 (2006.01). F16L 55/26 (2006.01).

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2INGENIERÍA DE REQUERIMIENTOS

Este capítulo tiene como objeto definir los requerimientos necesarios para el diseño del robot de tuberías propuesto, así como también la interfaz gráfica asociada que permitirá la manipulación del mismo en el entorno de trabajo. Los criterios que se definen para el desarrollo del primer prototipo, se basan en el análisis objetivo de los resultados de las encuestas realizadas a un grupo de expertos en el sector petrolero. Este análisis ha permitido proponer criterios en cuanto a la es-tructura mecánica, el sistema de tracción, el sistema de comunicación, sensorización y electrónica interna, entre otros.

Frederick P. Brooks [Brooks87], dice: “La parte más difícil de construir un sistema es precisamente saber qué construir. Ninguna otra parte del trabajo conceptual es tan difícil como establecer los requerimientos técnicos detallados, incluyendo todas las interfaces con gente, máquinas, y otros sistemas. Ninguna otra parte del trabajo afecta tanto al sistema si es hecha mal. Ninguna es tan difícil de corregir más adelante... Entonces, la tarea más importante que el ingeniero de software hace para el cliente es la extracción iterativa y el refinamiento de los requerimientos del producto”.

La ingeniería de requerimientos es el proceso de desarrollar una especificación de software. Las especificaciones pretenden comunicar las necesidades del sistema del cliente a los desarrolladores del sistema. (Sommerville 2005). La Ingeniería de requerimientos permitirá establecer los requisitos tanto funcionales como no funcionales que se utilizaran para el diseño del robot.

“Además, la ingeniería de requerimientos debe ser considerada como un proceso de construcción de una especificación de requisitos en el que se avanza desde unas especificaciones iníciales, que no poseen las características oportunas, hasta especificaciones finales completas, formales y acordadas entre todas las parte (B. A.Durán 2002).

En este capítulo se describen cada uno de los pasos que intervienen en la

definición de los requerimientos y los cuales se numeran a continuación: extracción, análisis, especificación y validación. Los detalles técnicos de la metodología seguida denominada Quality Function Deployment, QDF de ahora en adelante, el lector puede encontrarlos en Anexo B-1.

Para recabar estos requerimientos se pueden utilizar numerosas y variadas herramientas dentro de las cuales se pueden mencionar:

Entrevistas y cuestionarios: estos son empleados para reunir información

proveniente de personas o de grupos. Durante la entrevista, el analista conversa con el encuestado. El cuestionario es una serie de preguntas relacionadas con varios aspectos de un sistema o producto a desarrollar.

.

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Los encuestados son usuarios de los sistemas existentes o usuarios en potencia del sistema a desarrollar en este caso se seleccionaron expertos en el área petrolera. El éxito de esta técnica, depende de la habilidad del entrevistador y de su preparación para la misma.

En un estudio realizado por Escalona y Koch (Escalona y Koch 2002) se

estableció una comparación entre las diferentes metodologías utilizadas para definir los requerimientos en el desarrollo de la ingeniería de requerimientos utilizadas en la WEB. La conclusión fue que las entrevistas son una de las herramientas más utilizadas y eficaces para la obtención de parámetros de diseño de un producto de calidad. En este mismo trabajo se plantea la necesidad de validación de los requisitos planteados y la matriz QDF resulta ser una poderosa herramienta de validación de los requerimientos para la propuesta de un prototipo técnico.

Los requerimientos se pueden dividir en requerimientos funcionales y no-

funcionales. Los funcionales definen qué hace el sistema (describen todas las entradas y salidas), es decir, las funciones del sistema. Por su parte, los no-funcionales definen los atributos que le indican al sistema cómo realizar su trabajo (eficiencia, hardware, software, interface, usabilidad, etc.); es el cómo, cuándo y cuánto del qué (Dávila 2001).

Lluvia de ideas (Brainstorm): este es un modelo que se usa para generar ideas.

La intención en su aplicación es la de generar la máxima cantidad posible de requerimientos para el sistema. No hay que detenerse en pensar si la idea es o no del todo utilizable. La intención de este ejercicio es generar, en una primera instancia, muchas ideas. Luego, se irán eliminando en base a distintos criterios como, por ejemplo, "caro", "impracticable", "imposible", etc. (Chaves 2005)

Casos de Uso: los casos de uso son una técnica para especificar el

comportamiento de un sistema. Estos ayudan a capturar información de cómo un sistema o negocio trabaja, o de cómo se desea que trabaje, en palabras del IVAR JACOBSON "Describen bajo la forma de acciones y reacciones el comportamiento de un sistema desde el punto de vista del usuario".

Los casos de uso permiten entonces describir la posible secuencia de

interacciones entre el sistema y uno o más actores, en respuesta a un estímulo inicial proveniente de un actor, es una descripción de un conjunto de escenarios, cada uno de ellos comenzado con un evento inicial desde un actor hacia el sistema. La mayoría de los requerimientos funcionales, sino todos, se pueden expresar con casos de uso.

Los casos de uso son una técnica que se basa en escenarios para la obtención de

requerimientos. Actualmente, se han convertido en una característica fundamental de la notación UML (Lenguaje de modelado unificado), que se utiliza para describir modelos de sistemas orientados a objetos, (Arias 2005).

Para obtener los parámetros de diseño del primer prototipo del robot RETOV,

primeramente se realizó un estudio de los sistemas de medición que tienen los pozos petroleros. Luego se realizaron entrevistas al personal de campo de una empresa encargada de la fabricación de bombas electro-sumergibles. Posteriormente se procedió a investigar en el área y finalmente se formuló un cuestionario con preguntas cerradas el cual fue enviado a numerosos expertos en diferentes partes del mundo y pertenecientes

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a las compañías petroleras más relevantes del sector. Esta encuesta permite obtener información de los requerimientos tanto funcionales como no funcionales que debía tener la estructura robótica a diseñar tales como:

• Morfología del robot. • Sensorización requerida. • Funcionalidad del mismo.

El presente capítulo presenta los requerimientos de hardware y software del robot a utilizar como requerimientos generales del sistema utilizando la matriz QDF y los particulares serán estudiados con los casos de uso. Previo a la realización de la encuesta, se realizó una investigación de las variables a tener presente en los sistemas de extracción petrolera resultados estudiados en las Tablas 1.1 y 1.2 del Capítulo 1.

2.1 HACIA LA ROBOTIZACIÓN DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN Un robot diseñado específicamente para esta aplicación, podrá contribuir considerablemente a la modernización del proceso productivo, mejorando la calidad del mismo, reduciendo costes y, sobretodo, previniendo posibles desastres personales, materiales y medioambientales derivados de la ineficacia de los sistemas de extracción. Para poder satisfacer estos requerimientos, el sistema robotizado debe disponer de las siguientes funciones:

• Medición exacta de la temperatura y presión en función de la profundidad. • Determinación de la geometría de la tubería de producción en función de la

profundidad. • Determinación exacta del nivel de crudo y la ubicación de los equipos. • Ubicación exacta de roturas en la tubería y determinación de la geometría de la

misma. • Extracción de herramientas con ayuda de sensores. • Toma de muestras de crudo a diferentes profundidades. • Otras funciones que podrán proyectarse en el futuro.

Consecuentemente, dadas las necesidades que debería cubrir el robot, será

necesario solucionar los siguientes problemas teóricos y tecnológicos:

1. El diseño y construcción del sistema mecánico versátil para adaptarse fácilmente a diferentes tuberías.

2. Diseño de un sistema de locomoción eficaz capaz de desplazarse a alta velocidad y evitar obstáculos debidos a la construcción del pozo o empalmes de tuberías.

3. El diseño compacto para poder operar en los espacios reducidos típicos de esta aplicación.

4. El diseño y utilización de transductores diferentes, que permitan la reproducción clara de las condiciones del yacimiento y los equipos.

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5. En el futuro se deberá diseñar un habitáculo que se adapte a las condiciones de la

tubería y resistente al crudo, las altas temperaturas y las presiones existentes en los yacimientos.

La propuesta comprende un amplio rango de situaciones prácticas, que podrán

ser diseñadas inmediatamente en varias aplicaciones, lo cual abre las puertas a la financiación externa del proyecto. Inicialmente se propone la evaluación del diseño para estudiar la posibilidad de construcción del robot prototipo básico con funciones motrices y registro de algunas variables. Posteriormente se incorporaran funciones adicionales al robot. Se debe realizar un diseño flexible que permita incorporar nuevas prestaciones de acuerdo a los requerimientos existentes según la aplicación. El objetivo final de este capítulo es definir las características del robot cuyo coste y funcionalidad lo conviertan en una herramienta útil, práctica, económica y altamente comercializable. Producto de la investigación realizada tanto sobre el Sistema de Bombas Sumergibles de Extracción Petrolera: BCP y BES se decidió definir algunos criterios concernientes a la estructura robótica para poder elaborar el cuestionario a ser aplicado a los expertos tomando en cuenta las características requeridas para el diseño del robot dentro de las cuales se encuentran: Estructura Mecánica, Sistema de Tracción, Sistema de comunicación, sensores, Electrónica Interna, etc. En base a la investigación realizada sobre los sistemas de bombas y a lo anteriormente expuesto se puede decir que hay tres instantes en los que se puede introducir un robot en el pozo petrolero. El primero de ellos es antes de introducir la bomba cuando solo está el pozo hecho de concreto. En este momento se tomarían valores de variables que permitan realizar el diseño de las bombas, las variables a medir serian profundidad, temperatura, tipo de crudo, presión de fondo, producción del pozo. El segundo se da durante la instalación de la bomba, momento en el cual el robot ayudaría a determinar las condiciones de la tubería, el nivel del pozo, la temperatura, el posible nivel de sumergencía de la bomba y; además, para las BCP el espaciamiento es la distancia entre el rotor y niple de paro. El robot puede servir como una herramienta de ayuda en la recuperación de instrumentos y/o herramientas que caen al pozo durante la instalación o mantenimiento de la bomba. Con este robot el tiempo de recuperación de dichos objetos se vería ampliamente minimizado. Actualmente, el proceso de recuperación de objetos se realiza con un instrumento denominado pesca de hueco entubado (cased hole). Este tipo de pesca se da por lo general en producción y operaciones de reacondicionamiento de pozos. Se utilizan las mismas herramientas de hueco abierto la diferencia es que estas son más pequeñas, en las cuales las operaciones son peligrosas y se requiere mucha experiencia para su éxito. Consiste en tantear el fondo del pozo con

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unos imanes denominados fishing magnets y que se pueden observar en la Figura 2.1. También pueden usarse otras herramientas como el denominado indicador de punto libre que se muestra en la Figura 2.2. Esta tarea se traduce claramente en cuantiosas pérdidas de tiempo y dinero, y puede derivar en la clausura del pozo si no logra recuperarse el objeto.

Figura 2.1: Herramientas de pesca FISHING MAGNETS (IMÁN PESCANTE).

Figura 2.2: Herramienta indicador de punto libre.

El tercer instante se presenta durante el funcionamiento nominal de la bomba. En este momento hay flujo de petróleo por el casing (es el principal soporte estructural del pozo) y además hay una elevada presión de gas por lo que la temperatura se eleva considerablemente. En dicho momento se pueden medir las siguientes variables: temperatura, flujo, presión (succión y descarga), vibración y nivel de sumergencia. El prototipo que se desarrolle debe ser capaz de alcanzar el extremo final de la tubería. La profundidad a la cual se colocan las bombas ronda entre los 8000ft (2438mts) o 12000ft (3658mts) dependiendo de la bomba con que se esté trabajando. Debe ser capaz de desplazarse entre las paredes de concreto del pozo y la tubería extractora. Podrá ser utilizado para el funcionamiento o el mantenimiento de la bomba. Las consideraciones del material están implícitas en un diseño del receptáculo que se adapte a las condiciones del pozo (acero), para soportar las temperaturas que se manejan en la aplicación propuesta y que son propuestas como trabajos futuros de la Tesis. La ponderación de las variables a medir en el pozo está íntimamente relacionada con las causas que producen el daño de las bombas tanto BES como BCP, por lo que se propone realizar una estructura que pueda incluir sensores intercambiables que fue propuesto en una de las encuestas. Es decir, que la estructura sea el medio para transportar los diferentes sensores dependiendo de la bomba con la que se trabaje y las

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necesidades de medición de variables dependiendo del caso de estudio. Solo será diferente la estructura para algunos casos como: toma de muestras, recuperación de objetos que caen al pozo en las cuales se debe tomar otras consideraciones tal como incorporar un sistema de manipulación de objetos. Debido a la variedad de tuberías de producción existentes se tomará para este primer diseño una de las tuberías más utilizadas según la encuesta realizada de 51/2 pulgada. Posteriormente se incorporará la posibilidad de variación del diámetro de la tubería. A continuación se presenta la ponderación que se le da a los mismos de acuerdo a la importancia establecida en las encuestas según la Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Requisitos del cliente Requisitos del cliente Peso/importancia Rápido 20 Material Resistente 20 Liviano 5 Pequeño 5 Fácil manejo 10 Que mida variables en tiempo real 15 Toma de muestras 5 Colocar sensores intercambiables 20

Luego los Como (son los planteamientos técnicos para poder lograr cumplir con los requisitos del cliente). Para la construcción de la matriz QDF se utilizó una hoja de cálculo de libre distribución. Se seleccionaron algunos parámetros obtenidos de las encuestas presentadas en el anexo B-2. En la parte central en el cruce entre los requisitos del cliente y los planteamientos técnicos. En el techo de la casa se construye la matriz de interrelación de los factores técnicos: En esta se destaca como factores negativos en los cuales se debe reforzar a la hora del diseño. El diseño del receptáculo que debe contener la estructura electrónica y debe estar aislado térmicamente. El diseño del robot debe tener unas dimensiones y características que le permitan su desplazamiento entre la tubería de producción y el pozo petrolero. La necesidad de que la estructura robótica tenga un cordón umbilical para seguridad del sistema para su recuperación en caso de falla del mismo, a pesar de que el requerimiento del cliente era que fuese inalámbrico. En la parte inferior de la matriz una ponderación que se le da al grado de dificultad en la realización de los requisitos técnicos valorado del 1 al 10 de acuerdo al grado de dificultad. Finalmente se presentan los resultados arrojados por el programa de la matriz que se resumen a continuación en la Tabla 2.2.

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Tabla 2.2. Tabla de resultados de requisitos técnicos. Dificultad Peso/importancia Peso relativo

Tracción con ruedas 8 180 12.7 Receptáculo a prueba de explosión aislado (electrónica)

10 205.0 14.4

Estructura liviana 6 90 6.3 Dimensiones de la estructura que se acople entre la tubería y el pozo

9 20 1.4

Diseño de una interfaz amigable para el control

5 90 6.3

Comunicación con la superficie(tiempo real) 10 195 13.7 Alámbrico (por seguridad) 10 15 1.1 Sensores internos 7 75 5.3 Autónomo con control subir y bajar 9 65 4.6 Visión 4 15 1.1 Sensores externos: Temperatura, Presión, Nivel del crudo, Viscosidad

3

315 22.2

Sensor de Vibración 2 75 5.3 Composición del crudo (toma de muestras ) 10 80 5.6 En la Tabla 2.2 se presentan como parámetro de mayor relación peso/importancia con 315 de peso para el cliente los sensores que deben colocarse a la estructura del robot ya que esa es la función principal del robot, luego está el receptáculo con 205 y el sistema de comunicación en tiempo real 195 y finalmente el sistema de tracción con 180.

2.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA MATRIZ QDF. De este análisis realizado podemos resumir las características técnicas del robot en la Tabla 2.3.

Tabla 2.3. Tabla resumen de las características técnicas del robot.

Sistema a Evaluar Características Consideraciones de diseño.

Sistema de tracción

Debe ser una estructura que se mueva rápidamente ya que se debe mover grandes distancias.

Estructura con ruedas, que se adapte a las paredes de la tubería de producción. Actuadores eléctricos motores DC sin escobillas. La definición del motor dependerá de las condiciones de torque, par, etc. Directamente acoplado a la rueda con caja de engranajes y encoders.

Estructura mecánica

- Liviana - Pequeña. - Material resistente. - Que sea capaz de trasladarse entre el pozo y la tubería de producción.

Robusta dimensiones y forma considerar la clasificación de áreas clase 0 división cero. La estructura debe ser liviana y que se acople a la tubería de forma rígida con la propia estructura. Como el pozo está vacío puede ser una estructura robótica que quepa entre la tubería de producción y el pozo que es variable de acuerdo al diseño del mismo.

Sistema de Control Fácil Manejo.

Realizar diseño adecuado a estas situaciones, realizar el sistema de control que le permita realizar las labores para el cual se diseña.

Sistema de Sensores

Internos: Encoders, IMU, Sonar. Infrarrojo. Sensores externos:

Colocar sensores internos para el control del robot y sensores externos para las variables que se desean medir debido a la cantidad de variables a medir resultado de la encuesta realizada se incorporaran los

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Intercambiables Presión, temperatura, nivel de sumergencía, Humedad, Toma de muestra, fisuras en la tubería, Vibración, Visión.

sensores que sean necesarios de acuerdo a las necesidades específicas del momento.

Sistema de Comunicación Almacenamiento de datos

Inalámbrico(debido a que el robot requiere de un cordón umbilical por medidas de seguridad esta condición debe ser evaluada) - En tiempo real

Diseño de un sistema de comunicación por cable del robot con la superficie que mida las variables en tiempo real (Robot Autónomo)

Electrónica Interna

El diseño de la tarjeta y micro controlador deberá adaptarse a los requerimientos del sistema

Debido a los costos, se utilizará una tarjeta para el prototipo inicial que deberá ser sustituida por una que cumpla con los requisitos del sistema. Y toda la electrónica asociada.

Alimentación Debido a la condición indicada de la necesidad de un cordón por seguridad la alimentación también pudiese ser por esta vía.

La alimentación puede estar en la superficie.

En resumen, se propone un diseño de una estructura que se fije a la tubería, rígida, pero, liviana, robusta, de acero que soporte las condiciones del pozo, con un receptáculo aislado para contener la electrónica, con ruedas para su desplazamiento rápido, que se comunique en tiempo real con una interfaz de usuario amigable y de fácil manejo, en la cual, debe estar la información de los sensores internos y los externos al robot. La comunicación debe ser con un cordón por cuestiones de seguridad del equipo, debe ser autónomo solo con instrucciones de bajar o subir por la tubería. En dicho estudio se observó la complejidad del problema y que este debe desglosarse en varios trabajos dichos trabajos son:

• Diseño y ejecución de la autonomía de la estructura robótica a diseñar con una estructura de sensores internos. La interfaz de usuario para el control del robot y la medición de las variables de interés.

• Incorporación a la estructura sensores externos que le permitan medir las

variables necesarias en el proceso.

Finalmente con los requerimientos obtenidos se puede estudiar los casos de uso para definir la interfaz de usuario con los resultados obtenidos anteriormente, (Londoño Ospina 2009).

2.3. REQUERIMIENTOS DE RETOV

Requisitos para la interfaz de usuario

El sistema cuenta con dos actores el usuario y el robot (RETOV), es decir, dos entidades que aportan o reciben información del sistema. Cabe mencionar que uno de

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los actores no es humano. Un trabajo similar fue desarrollado en (Ramos López 2009), en el cual se propone una interfaz utilizando los casos de uso. En la Tabla 2.4 se describen los casos de usa más comunes.

La actividad que el usuario realizaría con la interfaz de RETOV debe permitir la

interacción hombre-máquina de manera sencilla e intuitiva. De esta manera el usuario puede acceder a todos los servicios y funcionalidades que ofrece el robot RETOV pero de un modo más simple y con mejor rendimiento.

Tabla 2.4. Tabla resumen casos de uso RETOV.

Caso de uso Mover el robot Actores Operardor Robot Visión General El operario deberá indicar exactamente qué movimiento

requiere que el robot ejecute Curso típico de Eventos Acción del Actor Respuesta del sistema El usuario indica tipo de movimiento y presiona start

El robot se mueve con el tipo de movimiento indicado por el usuario

Cursos Alternativos El usuario puede abortar la maniobra con stop o boton de seguridad

Administrador: el administrador del sistema es el encargado de realizar el

mantenimiento de los programas del robot. Tiene todos los derechos posibles en su sistema, es decir, que puede consultar, crear, editar o eliminar programas. Se muestra su caso de uso en la Figura 2.3.

Operador

º interfaz

RETOV

Figura 2.3: Sistema de interacción Humano-Robot. Operador: se trata de la persona que opera el sistema. Se encarga de iniciar el

sistema, terminar la ejecución del mismo, y por supuesto, del uso de todas sus capacidades y movimientos con los que el mismo cuenta. En la Figura 2.4 se representa el caso de uso para definir a operador.

Figura 2.4: Caso de uso Operador.

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Interfaz: Es el sistema que permite la interacción hombre-máquina. La interacción entre el usuario y RETOV se realiza a través de la interfaz gráfica básica diseñada en LabView generando una acción determinada según lo indique el usuario.

Robot (RETOV): El robot es también un actor ya que en los movimientos son ejecutados por el tomando en cuenta los sensores de los que dispone, de él se obtiene información relativa a los sensores con los que cuenta.

Acción (Mover): Se define un conjunto de acciones básicas que el robot tendría que realizar, que consiste en movimientos básicos que es capaz de realizar y serán descritas a continuación.

• El robot debe poder subir en línea recta sobre la tubería. • El robot debe poder bajar en línea recta sobre la tubería. • El robot puede rotar sobre la tubería en uno u otro sentido. • El robot debe estar en capacidad de combinar ambos movimientos

obteniendo un movimiento helicoidal sobre la tubería. Dependiendo la dirección del movimiento de las ruedas ira describiendo una helicoidal en ascenso o descenso a lo largo de la tuberías.

• Bloquear en el caso de contingencia con el push botton gira las ruedas en la posición rotacional se detiene minimizando el consumo de energía.

Se aplicó una arquitectura de control reactivo, se concibe como una serie de

módulos elementales, capaces de producir acciones de respuesta directa, en concordancia con la información sensorial disponible. El sistema debe iniciarse cuando se indique por la orden correspondiente y se detendrá cuando por sensores se indique de acuerdo al control reactivo que ha alcanzado el punto deseado ya sea en la superficie o en el fondo del pozo como se simulará en el laboratorio.

En los ensayos realizados en el laboratorio se programó al robot para un

desplazamiento desde la parte superior que simula la superficie del pozo hasta una distancia de 1 metro aproximado que sería el fondo del pozo

El Administrador del sistema podrá realizar cambios en el software para

adecuar el comportamiento del robot a las condiciones de operación del pozo según sea conveniente. En la Figura 2.5 se puede observar el caso de uso del Administrador.

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Figura 2.5: Caso de uso administrador

Cargar el comportamiento (tipo de movimiento) deseado por el operador. El tipo de movimiento está definido de acuerdo a las necesidades del usuario o en función de la respuesta en la evaluación de la información sensorial.

. Adquirir los datos de los sensores. Evaluar la información recibida. Implica definir el algoritmo de evaluación y los criterios de decisión definidos por el operador.

Definir los comportamientos que deben ser tenidos en cuenta de acuerdo a la misión y a las condiciones del medio. El software deberá poder iniciarse en cualquier instante, independientemente del estado del robot. La señal de START debe iniciar el proceso de comportamiento reactivo del robot e iniciar todas las tareas que se requieran. Por defecto arrancará en una configuración básica:

Luego activa el comportamiento (rotacional, traslacional o helicoidal) de acuerdo a las instrucciones indicadas. El modo de operación de paro de emergencia es prioritario sobre cualquier otro modo de operación. El robot permanecerá parado hasta que se le de la orden de arrancar (start).

Debe permitir incorporar otro tipos de sensores al sistema e introducidos en el programa por el administrador.

Debe permitir comunicación con el operador, para informarle el estado del sistema cuando este lo requiera.

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En el instante en el que el operador decide parar, todas las tareas que se estén ejecutando en el momento deben ser paradas y se debe dar la orden de paro a los actuadores. Se debe poder desactivar todo el sistema de control reactivo y poder ser operado manualmente. Debe detectar inconsistencias y fallos del sistema. Casos de Uso: Como se muestra en la Figura 2.6

Figura 2.6: Ejecutar Control_Reactivo. Este caso de uso se ejecuta cuando un usuario desea que el robot ejecute

alguna acción. La acción forma parte de un conjunto definido a priori.

Ejecutar Control reactivo: es el caso de uso que se estudiará en la Figura 2.6 se muestra un diagrama de casos de uso para esta aplicación. Este tipo de diagrama es producto de un análisis previo y además debe ir acompañado de una descripción, análisis y refinamiento para cada uno de los casos de uso que se planteen, (Lodoño Ospina 2009).

Se define entonces con detalle el caso de uso para la aplicación control

reactivo que se utiliza en esta Tesis. Requisitos no funcionales o de sistema Los requisitos no funcionales o de sistema son aquellos que no provienen

de la funcionalidad propia exigida a la nueva aplicación o sistema a desarrollar, si no que son requeridos por el entorno en el que se usará o ejecutará el sistema (García Hernandez 2010). Son aquellas exigencias del sistema que no tienen efectos funcionales, pero que ayudan a identificar necesidades o restricciones para esta Tesis son las siguientes:

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• El sistema debe ser confiable tanto en Hardware como en Software.

• El sistema debe ser versátil, debe permitir la posibilidad de agregar

varios tipos de sensores y adecuarse a la aplicación requerida.

• El sistema de control obedece a comportamiento reactivo, por lo cual la respuesta está sujeta a la velocidad de respuesta del procesamiento, la simplicidad de los algoritmos y a la confiabilidad y sencillez del sensor en este caso del sonar.

• Debe funcionar en diferentes tipos de ambientes, con gran variedad

de sensores externos y actuadores.

• Debe permitir incorporar otros módulos y otras formas de sistemas de control.

• Los comportamientos no poseen memoria

2.4. CONCLUSIONES En este capítulo se ha descrito la ingeniería de requerimiento y la metodología implementada para definir los criterios de diseño del Robot RETOV. Para definir los requerimientos se utilizó la metodología denominada Despliegue de la Función de Calidad, QDF, que no sólo permite definir los requerimientos sino establecer las prioridades de los mismos. Para la aplicación de esa metodología se aplicó encuesta a expertos en el área petrolera a través de un cuestionario de preguntas cerradas. Se proceso esta información generando gráficas que se presentan en el capítulo. Simultáneamente estos valores se introdujeron en la hoja de cálculo disponible en internet de la matriz de calidad generando como resultado los requisitos plasmados en este capítulo como requisitos de diseño para el robot RETOV. Es importante destacar que esta estructura no solamente puede ser utilizada para esta aplicación sino para muchas otras aplicaciones de inspección del exterior de tuberías.

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3CONCEPCIÓN DEL MECANISMO DEL ROBOT Este capítulo tiene como objeto presentar el diseño mecánico para el cual se necesita conocer los requerimientos que debe tener de acuerdo a las necesidades de la aplicación y las conclusiones obtenidas a través de los casos de uso y del método QDF detallado en el Capítulo 2 de esta Tesis.

Los productos modernos, más eficientes, livianos y económicos, los componentes electromagnéticos, la electrónica (digital y analógica) y la programación de computadores vienen integrados en el producto de una manera inseparable o con fronteras difusas respecto de los elementos mecánicos clásicos por decir lo menos.

La parte más crítica del proceso de diseño. Es en el diseño conceptual donde se

define principalmente el resultado final del proceso de diseño, vale decir la calidad de la solución propuesta. Es en esta misma fase de diseño conceptual donde la creatividad, conocimiento de los principios físicos, y experiencia del diseñador son más valiosas y relevantes para el resultado final satisfactorio del desarrollo.

Las diversas técnicas para evaluar comparativamente diferentes diseños

conceptuales son útiles para asegurar que buenas ideas no sean pasadas por alto y que malas ideas tempranamente puedan ser desechadas, lográndose de este modo que el proceso de diseño resulte más eficiente y exitoso.

Según (Costa 2001) ¨Mecanismo: Conjunto de elementos mecánicos que hacen

una función determinada en una máquina. El conjunto de las funciones de los mecanismos de una máquina ha de ser el necesario para que ésta realice la tarea encomendada. Así, por ejemplo, en una máquina lavadora hay, entre otros, los mecanismos encargados de abrir las válvulas de admisión del agua y el mecanismo que hace girar el tambor. Cada uno de ellos tiene una función concreta y el conjunto de las funciones de todos los mecanismos de la lavadora permite que la máquina realice la tarea de lavar¨. Una situación similar tratamos en esta Tesis en la cual hay varios mecanismos: amortiguación de la rueda y la direccionalidad de las mismas forman el robot RETOV.

El diseño es sin duda una de las actividades más gratificantes y enriquecedoras

para una persona y para el ingeniero en particular. Lo que caracteriza el diseño que realizan los ingenieros en el ámbito de su especialidad es que se emplean métodos y técnicas apropiadas para hacer este proceso más eficiente y para lograr un producto de mejor calidad, todo ello al menor costo posible.

En este Tesis el diseño mecánico fue realizado con una herramienta software

especializada denominada Inventor®. Tomando en cuenta los requerimientos iniciales plasmados en el capítulo anterior se procedió a realizar el diseño. El robot debe desplazarse entre dos tuberías, ser ligero, de fácil manipulación, etc. Para lo cual fue necesario determinar y diseñar cada una de las partes de las que está compuesta la

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estructura de RETOV de forma tal que cumpliese con los requerimientos planteados inicialmente y así poder implementar estas en un prototipo.

3.1. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO. El prototipo diseñado es capaz de desplazarse por tuberías no necesariamente concéntricas, está basado en una estructura de anillos articulados y dispone de ruedas para su locomoción. Uno de los principales requisitos impuesto a la nueva estructura robótica a desarrollar debe ser que la misma esté en capacidad de realizar la inspección del exterior de las tuberías verticales abrasándose a la misma y ocupando un reducido espacio. Esto último la hace especialmente eficaz para inspeccionar una tubería que esté dentro de otra: como se observa en la Figura 3.1. Este robot puede deslizarse, mediante ruedas, entre dos tuberías no necesariamente concéntricas, pudiendo ser utilizado en los pozos petroleros ubicados en tierra, oleoductos gasoductos, tuberías de instalaciones industriales, las utilizadas en edificios, postes de cualquier material, o en las tuberías de los fondos marinos.

Figura 3.1: Vista en CAD del robot RETOV desplazándose entre dos tuberías.

Otros requerimientos a ser tenidos en cuenta a la hora del diseño deben ser:

• Desplazamiento relativamente rápido ya que debe recorrer grandes distancias a lo largo de la tubería de producción.

• Debe ser ligero. • Fácil de manejar. • Portátil.

Debido a que el robot está contenido en la tubería, para el diseño lo importante es la

posición ya que este indicará información de donde está físicamente la estructura robótica.

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3.2. DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO MECÁNICO. Si bien la aplicación de este novedoso desarrollo en la industria petrolera es inmediata, el robot puede utilizarse para la inspección de cualquier tipo de tuberías. Tal como se puede apreciar en la Figura 3.1 para su desplazamiento por el exterior de las tuberías y, debe ser dimensionado de modo que pueda acceder de forma automatizada a espacios reducidos limitados entre dos tuberías (dispuesta una dentro de otra) con el fin de realizar la inspección del exterior de la tubería interior. Para ello, el aparato abraza a la tubería interna ocupando un espacio reducido, todo lo cual permite la inspección de una tubería dentro de otra, a través de espacios reducidos, en los cuales el ser humano no tiene acceso. La clara ventaja que supone este novedoso mecanismo es que puede ser utilizado para la medición en tiempo real de las principales variables propias de la aplicación. Por otro lado este robot permite hacer la inspección y mantenimiento de las tuberías por las que se desliza. Descripción de las partes Desde el punto de vista mecánico, el robot está constituido por dos o más anillos articulados paralelos, entre cada dos consecutivos de los cuales van montadas tres unidades de control, distribuidas circunferencialmente entre sí a 120º. La Figura 3.2 muestra un plano CAD en 3D de la estructura diseñada.

Figura 3.2: Vista en CAD de las partes del robot RETOV anillo cerrado.

Cada anillo está compuesto por dos brazos arqueados que van articulados consecutivamente entre sí por sus extremos, según ejes paralelos al eje de los anillos. Ver Figura 3.3.

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Figura 3.3: Brazos articulados utilizados para abrazar el robot a la tubería.

De la Figura 3.2 se puede observar que el robot está constituido por dos anillos articulados paralelos 1 y 2 y por tres unidades de control que se indican en general con las referencias 3, 4 y 5 y van montados entre los anillos 1 y 2 separados circunferencialmente entre sí 120º. En el diseño mostrado en la Figura 3.2, cada anillo articulado está compuesto por tres brazos arqueados (6) iguales, que van consecutivamente articulados entre sí por sus extremos según ejes (7) paralelos al eje de los anillos 1 y 2, pudiendo al menos uno de estos ejes estar constituido por una varilla roscada (8) desmontable para permitir la apertura de dichos anillos, según se muestra en la Figura 3.4.

Figura 3.4: Vista en CAD de las partes del robot RETOV anillo abierto.

Los anillos 1 y 2 pueden ir unidos a través de las barras (8), coincidentes con los ejes de articulación (7), y por las unidades de control 3, 4 y 5, tal y como se expondrá más adelante. Cada una de las unidades de control 3, 4 y 5 está compuesta por una base soporte (9) que va fijada entre los anillos 1 y 2 y puede servir como elemento de conexión de los mismos. Esta base soporte delimita, a partir de su superficie interna, una cámara en la que se alojan medios motrices del aparato y una estructura de suspensión de dichos medios motrices. En cuanto a las unidades de control cada una de ellas está compuesta por una base soporte que va anclada entre dos anillos consecutivos y es portadora de medios motrices acoplables sobre la superficie externa de una tubería y de una estructura de

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suspensión en la que van montados los medios motrices y la cual puede rotar sobre la base soporte según un eje perpendicular al eje de los anillos. La estructura de suspensión va suspendida de un servomotor que va montado en la base soporte y está encargado de provocar la rotación de dicha estructura de suspensión en uno u otro sentido, alrededor del eje antes comentado. La estructura de suspensión de cada unidad de control está compuesta por dos placas paralelas, una primera placa externa y una segunda placa interna. La primera placa externa va suspendida de la base soporte a través del servomotor encargado de la rotación de la estructura soporte. Por su parte, la segunda placa externa parte (11, ver detalle en la Figura 3.5) va relacionada con la primera placa parte 10 (ver Figura 3.5) mediante elementos amortiguadores de conexión que incluyen apoyos elásticos intermedios, dispuestos entre las dos placas, y limitadores de separación máxima de dichas placas. Los limitadores de separación entre placas pueden estar constituidos por varillas que atraviesan libremente parte 8, las dos placas y disponen en sus extremos, por fuera de las placas, de apoyos para las mismas. Las varillas pueden ser varillas roscadas en sus posiciones extremas y los apoyos citados estar constituidos por tuercas enroscadas en las varillas. En cuanto a los apoyos elásticos intermedios estarán preferentemente constituidos por resortes helicoidales montados entre las dos placas, alrededor de las varillas de conexión de las mismas. Los medios motrices antes comentados están compuestos por un rodillo de tracción y por un motor de accionamiento. Estos dos componentes van montados sobre la primera placa interna de la estructura de suspensión. El rodillo sobresale hacia el interior del contorno de los anillos a través de una abertura que presenta la segunda placa interna de la estructura de suspensión. La base soporte de cada unidad de control delimita, a partir de su superficie interna, se forma una cámara central en la que se aloja parcialmente la estructura de suspensión. La primera placa interna de esta estructura de suspensión queda situada dentro de la cámara y conectada al servomotor que va montado sobre la superficie posterior libre de dicha base soporte, mientras que la segunda placa interior de la estructura de suspensión sobresale respecto de la superficie interna de la base soporte, junto con el rodillo de tracción. El conjunto de la estructura de suspensión puede rotar libremente dentro de la base soporte, tal y como se ha indicado anteriormente, al ser accionada mediante el servomotor del que queda suspendida la placa interna de la estructura de suspensión. En la Figura 3.5 se muestra un plano CAD sobre el diseño de la estructura de suspensión y una de las ruedas motrices colocadas en ella. Con esta constitución, el rodillo de tracción sobresale interiormente respecto del contorno delimitado por los anillos articulados, para apoyarse sobre la superficie externa de la tubería a inspeccionar. La estructura de suspensión puede rotar sobre la base soporte en un ángulo de 90º entre una posición centrada, en la cual el eje del rodillo tractor es paralelo al eje de

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los anillos, y posiciones inclinadas en los que el eje del rodillo forma un ángulo de 90º con el eje de los anillos, hacia uno u otro lado, respecto de la posición centrada.

Figura 3.5: Vista en CAD alzado lateral de los medios motrices y estructura de suspensión de los mimos.

El rodillo de tracción irá montado en la estructura de suspensión según un eje de giro perpendicular el eje de rotación de dicha estructura de suspensión. Con la constitución descrita, este puede montarse sobre el exterior de una tubería, en cuya superficie apoyará a través de los rodillos de tracción (ruedas). Mediante el accionamiento de estos rodillos con los correspondientes motores, se consigue el desplazamiento lineal del aparato a lo largo de la tubería, cuando los rodillos de tracción ocupan la posición centrada, o bien su desplazamiento helicoidal con el ángulo deseado, al provocar la rotación de la estructura de suspensión y con ello la inclinación del rodillo de tracción, e incluso hasta alcanzar la posibilidad de un desplazamiento horizontal, cuando el eje del rodillo de tracción se sitúa en posición perpendicular al eje de los anillos. La disposición de las unidades de control con los correspondientes rodillos de tracción a 120º permite que el aparato pueda mantenerse en la superficie de la tubería con firmeza y desplazarse con un movimiento muy estable. Al ser este movimiento estáticamente estable debido a la fricción mecánica que proporcionan los rodillos de tracción sobre la superficie de la tubería, éste puede mantenerse en una posición de la misma sin necesidad del uso de motores, lo que le permite ahorrar energía. Esta fricción se logra gracias al sistema de suspensión en el que van montados los rodillos de tracción. Dado que el robot se desplaza a lo largo de la tubería de forma similar a como lo hace un tren sobre sus raíles, no hay posibilidad de que el aparato se mueva a lo largo de ejes ortogonales a su eje longitudinal. Por lo tanto, si el desplazamiento lineal del aparato se registra a lo largo de este eje, junto con los cambios de orientación, la posición queda plenamente definida. Éste permite además llevar en su estructura una red de sensores para medir variables y magnitudes específicas de la aplicación. Además en futuras aplicaciones puede disponer de un sistema de brazos manipuladores con un extremo operativo

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diseñado de acuerdo a las tareas a realizar, por ejemplo pinzas que permitan la manipulación en los espacios reducidos. De este modo, puede utilizarse para el mantenimiento e inspección exterior de tuberías en pozos petroleros ubicados en tierra. Para el sistema de control se utilizará un ordenador y en el aparato irá contenida la electrónica apropiada que permita realizar el control cinemático de la estructura, como así también pre procesar, en tiempo real, las mediciones realizadas por los sensores. Esta información será transmitida a un computador situado en tierra, a través del cual se realiza el monitoreo y la toma de decisiones que requiera la aplicación. Gracias al sistema de suspensión mediante el que van montados los rodillos de tracción, el robot podrá evitar pequeños obstáculos que encuentre en su desplazamiento a lo largo de la tubería. Del mismo modo, su capacidad de rotación sobre la tubería y la posibilidad de apertura de los anillos le permiten evitar obstáculos que se puedan presentar igualmente en la tubería. Según puede apreciarse mejor en las Figura 3.5, Figura 3.6 y Figura 3.7 a estructura de suspensión está compuesta por dos placas paralelas, una primera placa 10 que queda situada dentro de la base soporte 9, y una segunda placa 11 que queda situada fuera de la placa base 9 y sobresale interiormente respecto del contorno de los anillos 1 y 2, tal y como puede en 10 apreciarse en la Figura 3.4. Estas dos placas quedan relacionadas entre sí mediante varillas 13 que van ancladas a la segunda placa 11 y atraviesan libremente la primera placa10, con topes situados por fuera de dicha primera placa 10, para poder limitar la separación entre las dos placas. Los elementos amortiguadores incluyen además resortes helicoidales 14 dispuestos entre las placas 10 y 11 y montados alrededor de las varillas 13. Sobre la segunda en la placa 11 van montados los medios motrices compuestos por un rodillo de tracción 15 montado en 20 el eje 16 de un motor de accionamiento 17 que está anclado a la primera placa 11, por ejemplo mediante la placa auxiliar 18.

Figura 3.6: Vista en CAD es un despiece en perspectiva de los medios motrices y estructura de suspensión.

La primera placa 11 dispone de una abertura central 19 a través de la que sobresale el rodillo de tracción 15.

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Figura 3.7: Vista en CAD de planta del robot, montado entre dos tuberías coaxiales.

A través de la primera placa 10 la estructura de suspensión va conectada a un servomotor 20 que se encuentra anclado exteriormente a la base soporte 9 de cada una de las unidades de control 3, 4 y 5. Mediante la activación del servomotor 20 la estructura de suspensión mostrada en las Figura 3.5 y Figura 3.6 puede rotar respecto de la base soporte 9 según un eje perpendicular al eje de los anillos. El rodillo de tracción 15 está montado en la estructura de suspensión mostrada en las Figura 3.5 y Figura 3.6 según un eje de giro que es perpendicular al eje de rotación de dicha estructura de suspensión. Mediante la activación del servomotor 20 cada estructura de suspensión puede rotar sobre la base soporte 9 al menos un ángulo de 90º, entre una posición centrada, en la cual el eje del rodillo tractor 15 es perpendicular al eje 5 de los anillos 1 y 2, según se muestra en la Figura 3.8, y una posición inclinada hasta una inclinación máxima, hacia uno u otro lado de la posición centrada, en la que el eje del rodillo tractor es paralelo al eje de los anillos, tal y como se muestra en la Figura 3.9.

Figura 3.8: Con los anillos abiertos y el rodillo tractor con el eje en posición perpendicular al eje de los anillos rotación longitudinal en la tubería.

La variación de posición del rodillo 15 entre las Figura 3.8 y Figura 3.9 se consigue mediante rotación de toda la estructura de suspensión representada en las: Figura 3.5 y Figura 3.6. El robot será controlado por el computador un micro

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controlador instalado en los anillos 1 y 2, así como sensores internos que realizan la retroalimentación del control, además de varios sensores que son colocados para la medición de las variables de interés, de acuerdo con la aplicación. Un par de brazos con pinzas podrán en el futuro ir fijados a los anillos, que permitirán la manipulación que requiera la aplicación concreta. También puede incorporarse una cámara de visión nocturna para la visión del trabajo a realizar.

Figura 3.9: Con los anillos abiertos y el rodillo tractor con el eje en posición en la que el rodillo tractor aparece con el eje en posición paralela al eje de los anillos.

En la Figura 3.7 se muestra la disposición del robot entre dos tuberías 21 y 22 dispuestas una dentro de otra, en posición coaxial o no. Según se aprecia en la Figura 3.7, del interior del contorno definido por los anillos 1 y 2 sobresale la primera placa 11 de la estructura de suspensión y el rodillo de tracción 15, el cual apoya sobre la superficie externa de la conducción interior 22 para su desplazamiento sobre la misma. Cuando se desea desplazar el robot de forma lineal a lo largo de la tubería interna 22, los rodillos 15 se sitúan de modo que el eje de los mismos quede en posición perpendicular al eje de los anillos. Provocando la rotación de la estructura de suspensión compuesta por las placas 11 y 12 se provoca la inclinación del rodillo 15 en uno u otro sentido hasta alcanzar la máxima inclinación mostrada en la Figura 3.9, en la cual el eje de los rodillos es paralelo al eje de los anillos. Esta posibilidad permite el desplazamiento del aparato de forma rotacional a lo largo de la tubería 22, o de forma helicoidal con el ángulo deseado, hasta un posible desplazamiento horizontal. Para el montaje del aparato sobre una tubería se procede a la apertura de los anillos 1 y 2, según se muestra en las Figura 3.4 y Figura 3.8, para su posterior en 10 cerrado, una vez que abrazan a la tubería. Un sistema de anillos que se abrazan a la tubería similar a este fue propuesto (Changhwan Choi 2006) (Choi, Park y Jung 2010), otros artículos de un desarrollo que utiliza tres ruedas desfasadas 120 grados UT-P se presenta en (Ali Baghan s.f.), (Sara Mahdavi 2006) (E. N. Sara Mahdavi 2007) El robot posee un sistema de frenos a modo de fallos y un sistema de frenos normal que posiciona las ruedas en sentido axial al desplazamiento longitudinal lo que frena y mantiene en una posición deseada a la estructura sin consumo de energía, este sistema: - Minimiza el consumo de energía.

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- Garantiza el bloqueo del robot ante un fallo energético (esta función es gobernada por una electrónica independiente al sistema de procesamiento central). El sistema de frenos diseñado permite ubicar y bloquear el robot en la posición deseada (tanto axial como radialmente). El bloqueo axial lo proporciona la naturaleza mecánica Estructural de la rueda y el bloqueo Radial ¨ Giro puro¨ lo garantizan los motores. Adicionalmente se incorporó un sistema de paro de emergencia acoplado próximo al operador para tener un control de la estructura en el caso de contingencia. Se dispone de una tarjeta exclusiva para incorporar la estructura de sensores que realizarán la lectura de las variables del pozo. Esta tarjeta está dispuesta de forma tal que se pueden incorporar sensores de forma intercambiable para dar mayor versatilidad al sistema. La selección del sistema de ruedas cada 120 grados en forma de triángulo equilátero proporciona a la estructura estabilidad al sistema y contribuye a centralizar el centro de masas del robot, proporcionando de esta manera más estabilidad a la estructura, (O. Tăta* 2007), (TANG De-wei 2012) (Dae-Won Kim1 2009).

Un objeto que gira solo puede tener dos tipos de desequilibrio: el producto de inercia y el desplazamiento del centro de gravedad; de ahora en adelante, CG (offset del CG). Al offset del CG, se le llama desequilibrio estático, mientras que al producto de inercia, se le llama par desequilibrio. Al efecto combinado de los dos, se le llama desequilibrio dinámico. Este fenómeno se observó cuando se trabajó con el anillo abierto requiriendo de modificaciones para que la estructura alcance el equilibrio dinámico. (Boynton y Wiener s.f.). Para lograr corregir este desequilibrio la bibliografía propone colocar peso en puntos específicos hasta lograr el equilibro deseado.

3.3. DILATACIÓN DE LA ESTRUCTURA POR EFECTOS DE TEMPERATURA Existen dos coeficientes de dilatación que son importantes tener presente durante el diseño cuando este será sometido a elevadas temperaturas. Uno de estos coeficientes es el de dilatación lineal que no es más que el incremento en longitud que presenta determinada sustancia cuando su temperatura se eleva en 1 grado Celsius se representa con la letra α . La estructura dispone de piezas tipo barras las cuales deberán ser estudiadas con este coeficiente de dilatación lineal para determinar los niveles de holgura que se presenta entre dos piezas dispuestas una dentro de la otra. Es importante para determinar el coeficiente de dilatación conocer la temperatura en condiciones iníciales y la temperatura máxima a la que puede llegar la estructura para este caso se utilizó una temperatura ambiente inicial. (Berroca 2007) La ecuación que permite el cálculo de la dilatación lineal.

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0( )−=−

of

if

L LL T Tα

donde α es el coeficiente de dilatación lineal, fL es la longitud final medida en metros,

oL es la longitud inicial de medida en metros, fT : es la temperatura final medida en grados Celsius, oT : es la temperatura inicial medida en grados Celsius. A continuación se muestra una tabla con los coeficientes de materiales de interés en función del incremento de 1 grado de temperatura. A partir de los coeficientes de dilatación se obtienen las ecuaciones que relacionan cada uno de los materiales para la temperatura máxima del pozo estos valores permiten definir las holguras que se utilizaran para el diseño de las piezas.

Tabla 3.1. Tabla de los coeficientes de dilatación de los materiales por incremento de 1 grado de temperatura.

Sustancia Α(1/°C) Aluminio - 623,2 10x − Acero 611,2 10x − Titanio 69,5 10x −

Tabla 3.2. Tabla de ecuación de cálculo de dilatación lineal y porcentaje respecto a estructura ABS.

Sustancia Ecuación para el cálculo de dilatación lineal

% de dilatación respecto al plástico ABS

Aluminio .1,0084216ofL L= 4,.80731958% de ABS

Acero .1,0040656ofL L= 2,85766565% del plástico

Titanio .1,0040656ofL L= 3,105748271% del plástico

En la Tabla 3.2 se presenta los porcentajes de dilatación lineal de las piezas en relación al plástico que es el que se maneja; es decir, la holgura para el acero es menor en 0.86% que la del plástico y un poco menor para el titanio como se presenta en la tabla. Por lo tanto para el diseño de cada pieza se debe tener presente la dilatación de las mismas que se realiza con las ecuaciones de fL que es la longitud lineal de la pieza. Si fuesen piezas volumétricas el coeficiente volumétrico se obtiene de multiplicar el lineal por tres y la aplicación de las siguientes ecuaciones.

Tabla 3.3. Ecuación para el cálculo volumétrico de dilatación según el tipo de material.

Sustancia Ecuación para el cálculo de dilatación lineal

% de dilatación respecto al plástico ABS

Plástico ABS 0.1,1038906fV V=

Aluminio 0.1,0252648fV V= 7,122607983% de ABS

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Acero 0.1,0121968fV V= 8,306420944% del plástico

Titanio 0.1,0103455fV V= 8,47412778% del plástico

Donde fV es el Volumen final y 0V es el volumen inicial. En la Tabla 3.3 se observa que para el titanio y el acero los coeficientes de dilatación son menores y por ende también lo son las dilataciones de los elementos o piezas del robot. Este análisis permitirá cualitativamente adecuar nuestra estructura a otras condiciones diferentes a las presentadas en el laboratorio.

3.4. CONCLUSIONES En este capítulo se describe la estructura robótica diseñada la cual esta descrita en cada una de sus partes más importantes destacando:

• Su sistema de suspensión, que le permite salvar pequeños obstáculos. • El sistema de orientación de las ruedas, diseño este novedoso que le permite

realizar tres tipos de movimiento: Rotación, traslación y helicoides en la tubería.

• Se incorpora un sistema de frenado a la estructura con la finalidad de mantener el robot en una posición deseada en la tubería sin consumo de energía.

• Se incorpora un sistema de paro a prueba de fallos para detener el robot en caso de fallas y poder sacarlo del pozo.

También se estudió las ecuaciones para definir las dilataciones lineal y volumétrica que puede sufrir la estructura al estar sometida a incrementos significativos de temperatura. El prototipo diseñado tiene altas capacidades cinemáticas y un amplio espacio de trabajo gracias a la variedad de movimientos de los que dispone. Es importante destacar que los materiales del prototipo deben adecuarse a la aplicación ya que solo se ha construido un prototipo para su utilización en el laboratorio. En el siguiente capítulo se detallaran cada una de las especificaciones de los materiales utilizados para la implementación del prototipo descrito en esta sección.

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4IMPLEMENTACIÓN Este capítulo tiene como objeto presentar la implementación del prototipo tomando en cuenta la concepción mecánica la selección de los componentes eléctricos y electrónicos requeridos para la construcción del robot RETOV. La estructura mecánica es la primera que se construye a la hora de realizar el diseño e implementación de un robot la cual está estrechamente ligada con la electrónica y el control.

El diseño del robot se baso en un diseño simple en anillos para ocupar el menor espacio posible.

Realizar un análisis del sistema tanto dinámico como cinemático es importante

para dimensionar los actuadores que se requieren. El análisis cinemático permite encontrar las ecuaciones físicas del sistema para conocer la trasmisión de movimientos (rotación, translación) generados por los actuadores.

El análisis dinámico permite conocer los parámetros físicos como las

velocidades esfuerzos, aceleraciones, etc.; lo que permite establecer aspectos importantes para el modelo físico, tales como tipo de material, rendimiento del mecanismo, potencia de los actuadores estos análisis se presentan en el Capítulo 5.

Luego del diseño y análisis del sistema se determinan los materiales adecuados

para su manufactura. En este caso se implementará un prototipo, hecho con la máquina de prototipado rápido disponible en el laboratorio de la UPM.

Una vez construidos estos en la máquina de prototipado se procederá a su

ensamblaje tal y como se planteó con el diseño previo realizado en Inventor®.

4.1. ARQUITECTURA HARDWARE La modularidad en el diseño ha sido también un factor importante a tener en cuenta en el desarrollo de esta novedosa estructura robótica. Un diseño modular le confiere al sistema flexibilidad y le permite agregar nuevas características. A lo largo de este capítulo se describirán las partes y componentes utilizados para la implementación del prototipo dejando claro que para la implementación del robot definitivo deberán revisarse y adecuarse la electrónica y el material de la estructura a las condiciones del ambiente donde se implementará. A continuación se presenta la Tabla 4.1 en la cual se describen las características físicas de RETOV.

Tabla 4.1.Características físicas de RETOV.

Características Físicas: Peso 1.091gr. Tamaño y Forma 14 cm a 21cm (cilíndrico con una altura de 13.4

cm)

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Capacidad de carga 500 gr Material Plástico ABS (prototipo) pero el material

dependerá de la aplicación Micro controlador utilizado Se utilizan 2 Arduino® UNO, uno para el control

de los motores y otro para los sensores.

4.1.1. SELECCIÓN DEL ACTUADOR Para realizar la selección de los motores se requiere definir algunos parámetros importantes de los mismos: torque, velocidad, peso, tamaño, adaptabilidad y precio. Uno de los requerimientos más importantes para el actuador es la dimensión. Dentro de un grupo de motores disponibles en el mercado se seleccionó uno con una buena relación entre coste, potencia y tamaño. Se decidió colocar tres ruedas actuadas que permitirá la distribución del torque requerido en varios motores. El motor seleccionado fue un motor de corriente continua de Pololu® el cual tiene incorporado una caja reductora que mejora el torque adaptándose a los requerimientos del diseño. En el Anexo C-1 de esta Tesis, el lector pueden encontrar información técnica concerniente a estos motores. Este motor, que se puede observar en la Figura 4.1, tiene unas dimensiones pequeñas y es de alta calidad. Todos los motores con engranajes de micro metal tienen las mismas dimensiones físicas, pero disponen de un amplio rango de trabajo, con características de engranajes de 5:1 hasta 1000:1 (Ver. Anexo C-1).

Figura 4.1: Motor Pololu con reductora

Debido a que se decidió tener distribuido los motores en tres zonas diferentes de la estructura, la ecuación que permite determinar el torque requerido para cada uno de los motores está dada por:

. .#

r g mde motoresµ

τ = ec. (4.1)

Donde : rµ es el coeficiente de deslizamiento que para el caso de acero sobre acero será de 0.18.(condición desfavorable), τ :Torque requerido para cada uno de los motores en Nm g ;Gravedad 9.81 m/s eg m ; masa en Kg #de motores (en este caso son tres) Por lo tanto se tiene que:

0, 6528 6 .= =Nm Kg cmτ ec. (4.2)

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Se tiene entonces que cada uno de los motores debe proporcionar 6 Kg.cm este valor fue seleccionado para la condición más desfavorable en la que se contempla elevadas fuerzas de rozamiento. Este motor proporcionar, además, una velocidad angular de 100 rpm. Por lo tanto la velocidad máxima que podrá alcanzar la estructura será de

2. . .V rπ ω= ec. (4.3)

13,19472 /V m s= ec.(4.4) Los valores de velocidad nominales que puede desarrollar el robot con los motores seleccionados en movimiento horizontal sin tomar en cuenta las condiciones dinámicas. Los parámetros representados en la siguiente Tabla 4.2 son las características técnicas de los motores seleccionados sobredimensionado para lograr vencer la gravedad:

Tabla 4.2. Características de los motores DC Pololu seleccionados.

Engranaje 298:1 Velocidad libre 100rpm Consumo mínimo 60 mA Tamaño 24x10x12 Par máximo 6 kg.cm Consumo máximo 540 mA SELECCIÓN DE LA RUEDA. De acuerdo al espacio disponible y a las características del motor se realizó el cálculo con el software Wheel Speed Calculator de Bricor de libre distribución para la selección de la rueda, resultando las siguientes características de acuerdo a la Tabla 4.3:

Tabla 4.3. Parámetros de las ruedas de acuerdo al motor seleccionado

Característica Cantidad Unidad Diámetro de la rueda 42 mm El motor proporciona una velocidad máxima de

100 RPM

Velocidad Máxima 0,79 K/h Velocidad Máxima 0,22 m/s La rueda del prototipo tiene un neumático de goma que mide 1,65 "(42 mm) de diámetro y está diseñado para adaptarse a los ejes de salida en el motor reductor de micro metal y así como a los motores de Solarbotics metal gear. Posee unos dientes que le permite adaptarse a un sensor de reflectancia que se utilizará para la realimentación (encoder). En la Figura 4.2. se puede observar la rueda seleccionada.

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Figura 4.2: Rueda con base y encoder.

Este soporte compacto permite un cómodo montaje de los motores que las comandan. El soporte de plástico blanco encierra los engranajes de otro modo expuesto, y las lengüetas de montaje proporcionan una fácil instalación.

Esta versión cuenta con lengüetas de montaje que permiten su uso con la rueda de Pololu 42 × 19 mm. Se diseño una base especial para adaptarse a los motores y un sistema de amortiguación, como se observa en la Figura 4.3 para lograr salvar pequeños obstáculos.

Figura 4.3: Sistema de amortiguación y rotación de la rueda

4.1.2. IMPLEMENTACIÓN DEL CUERPO DEL ROBOT A continuación en la Figura 4.4 se presenta una fotografía de las piezas diseñadas en CAD y construidas en la máquina de prototipado de plástico ABS disponible en el laboratorio.

Figura 4.4: Fotografía que muestra la estructura robótica implementada.

Para lograr la direccionalidad de las ruedas de la estructura se seleccionaron servos de Hitec HS-645MG de ultra alto torque. Cuyas características se presentan en la Tabla 4.4.

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Tabla 4.4. Características de los Servos Hitec HS-645MG

Característica Valor Voltaje de funcionamiento 6V Velocidad 0.2 sec/6grados Torque 9.6Kg.cm(133 oz.in)

Esta direccionalidad se consigue con el servo que puede dar un ángulo de 0 a 90 grados logrando tener el movimiento rotacional, helicoidal y translacional deseado en cada caso. La Figura 4.5 muestra algunas de las posiciones alcanzadas con el servo.

Figura 4.5: Fotografías del robot con el servo en un ángulo de 0, 45 y 90 grados.

Se seleccionó una fuente sobredimensionada de 5V DC 20 Amperios que permitirá alimentar todos los dispositivos motores, servos, sensores, etc. del robot.

4.1.3. IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE Y SOFTWARE DE CONTROL

En la Figura 4.6 se presenta el esquemático de la arquitectura de control

planteada para el robot.

Figura 4.6: Esquemático de la arquitectura de control

52

Para lograr el movimiento del robot RETOV se desarrolló una arquitectura de hardware controlada por un ordenador utilizando una interfaz de usuario desarrollada para tal fin, que estará ubicada en la superficie del pozo petrolero. Próximo al computador, cerca del operario, se ubicará la tarjeta controladora Arduino® UNO, que controla los servos y con la tarjeta Shield controladora de los micro-motores como se muestra en el diagrama de la Figura 4.6 la comunicación del ordenador con la tarjeta Arduino® UNO se realiza por puerto USB.

En la estructura de RETOV está dispuesta una tarjeta de Adquisición de datos diseñada con un PIC para la lectura de los sensores tanto internos como externos del robot. Dicha tarjeta está encargada de suministrar al ordenador las variables proporcionadas por el sonar y el encoder para realizar el control de la estructura.

La cámara dispuesta en el robot envía al ordenador vía WiFi las imágenes que el

robot captura del entorno (pozo petrolero). El ordenador realiza funciones de lectura, y procesamiento de la información provenientes de RETOV. Además se presentan las mediciones obtenidas, y las imágenes obtenidas por la cámara mientras el robot se desliza por la tubería. Partes que componen el Robot: En la superficie:

• Ordenador • Circuito de control y fuerza de micro-Motores y servos. • Sistema de paro de emergencia. • Fuente de Alimentación

Sistema de Comunicación: • Interfaz de Usuario • Cordón de Comunicación con el Robot

En el Robot:

• Tarjeta de Adquisición • Sensores • Actuadores

Ordenador

El ordenador proporciona los programas y la interfaz de usuario de comunicación en la superficie. La estructura de software se detalla en la sección 4.2.

El desarrollo de los programas manejados por el ordenador son los siguientes: • Interfaz de comunicación con la tarjeta controladora de los motores y

servos. • Presentación de los datos recibidos de los sensores internos de la

estructura y de los sensores externos de las variables de control los cuales se incorporaran modularmente de acuerdo con los requerimientos de medición.

• Los valores de posición Z y ángulo de orientación de las ruedas para realizar los movimientos del robot para su desplazamiento sobre la tubería.

53

• Presentación de las imágenes visuales capturadas por la cámara que porta el robot. Programación del Robot .

El programa de control del robot se realizó con uno o varios paquetes dentro de

los que se pueden destacar LABVIEW®.

Circuito de Control y fuerza para los micro motores. Para el control de los motores y servos se utilizó una tarjeta Arduino® UNO con una Shield Ardurobotrónica que dispone de seis puentes H L298 que permite el control de los micro motores Pololu y de los servos ya que pueden manejar hasta corrientes de 3 amperios por motor. A continuación se presenta la fotografía de las tarjetas implementadas para la estructura robótica. Ver Figura 4.7. La alimentación vía cable permitirá la recuperación de la estructura minimizando los problemas de retardo de la señal como ocurre en diversas aplicaciones de teleoperación (Suárez, Villa y Bricaire 2006).

Figura 4.7: Fotografía de las Tarjetas controladoras de los motores y servos implementadas

(Arduino® UNO y ardurobotrónica).

Debido a que Arduino® UNO es una plataforma de desarrollo libre, existen en el mercado muchas aplicaciones gratuitas disponibles para ella y muchos desarrollos de hardware lo que permitirá en el futuro incorporar nuevas características y bondades a esta aplicación. Ya hay muchas tarjetas llamadas Shields que se conectan encima para formar paquetes compactos y fáciles de manipular. El procesador Atmega328 viene pre-cargado con el boot loader.

Estas fueron una de las razones más importantes para la selección de la

Arduino® como tarjeta controladora en el futuro se podrá incorporar al robot el control inalámbrico y otra serie de características que le dan valor agregado a la aplicación. El sistema de paro de emergencia es un push botton que se puede observar en la Figura 4.8 que detiene manualmente al robot en el caso de contingencia.

54

Sistema de paro de emergencia

Figura 4.8: Sistema de paro de emergencia y fuente de alimentación.

Sistema de Alimentación Arduino puede tomar información del entorno a través de sus pines de entrada de toda una gama de sensores, motores y otros actuadores. El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing). Los programas hechos con Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a un ordenador, si bien tienen la posibilidad de hacerlo y comunicar con diferentes tipos de software (p.ej. Flash, Processing, MaxMSP). Debido al ruido que producen los motores y servos fue necesario incorporar filtros capacitivos al diseño. Adicionalmente se decidió separar en dos tarjetas una Arduino para el control de los motores y servos y otra diseñada a medida con PIC para incorporar la estructura de sensores que manejará la estructura de esta forma se elimina la posibilidad de incorporar ruido a la estructura de sensores. El robot cuenta con una fuente de alimentación DC (ver Figura 4.8) de 5 V 20 Amp. 230 V y 50 Hz. Ésta proporciona toda la energía que requieren los actuadores y sensores del robot. Sistema de Comunicación Interfaz de usuario

La interfaz gráfica fue realizada en LabView® (Laboratorio de Instrumentación Virtual Engineering Workbench) que no es otra cosa que un potente lenguaje de programación visual desarrollado por National Instruments. LabView proporciona las herramientas necesarias para crear e implementar sistemas de medición y control.

Sistema de paro de emergencia

Fuente de alimentación

55

Además LabView permite crear interfaces de usuarios, llamados paneles frontales, de fácil manejo. A continuación se desglosará cada una de las partes de la interfaz gráfica desarrollada la cual se puede observar en la Figura 4.9. La cámara será utilizada en un modulo aparte en otro computador para mejorar los tiempos de respuesta del robot RETOV. Programa para el control de los motores el cual toma la data del programa desarrollado para la Arduino® UNO. Este fue desarrollado con estructura de eventos.

En la interfaz se puede seleccionar el puerto del cual estará conectada la Arduino®. Se ha predeterminado el COM 10 para la Arduino® que controla los motores y servos y el COM 6 para la tarjeta de adquisición de datos que controla los sensores. Este procedimiento se realiza solo la primera vez que se inicia el programa. Se diseño la interfaz de forma tal que la data fuese almacenada inicialmente en un archivo el cual posteriormente podrá ser procesado. Este archivo contiene la lectura del sonar con la posición de la estructurada. Se graba el archivo al comenzar la aplicación haciendo doble clic en Path se deberá indicar la ruta y el nombre que se le dará a el archivo de data.

Una vez seleccionado el nombre del archivo toda la data será grabada y se accede a esta luego de realizar todo el recorrido del robot, pero esta es mostrada por pantalla en la interfaz. La data del sensor puede ser procesada posteriormente en cualquiera de los software Excel, Matlab y otros.

En la parte inferior derecha de la interfaz de la Figura 4.9 se encuentran

indicados con tres botones los tres tipos de movimiento que es capaz de realizar la estructura (traslational move, Rotational move o Helical move en español movimientos: traslacional, rotacional o helicoidal respectivamente). Se debe seleccionar cual movimiento se desea ejecutar. Una vez seleccionado este aparecerá remarcado en la pantalla mostrando que este fue el seleccionado.

Si fue seleccionado el movimiento de translación solo permitirá la selección del

botón tipo switched (dir T) para que el usuario pueda indicar como desea que la estructura se mueva hacia arriba o hacia abajo dependiendo si el robot va a subir o bajar por la tubería.

Si la selección fue de translación, el control deslizante adyacente y el ángulo se

colocaran automáticamente en 90 grados para indicar dicho valor y el servo recibirá los comando adecuados, para cumplir con la consigna del movimiento, tras presionar el botón de START. El robot sólo se detendrá por reacción al sensor (sonar) cuando se alcance los valores de 20 centímetros (que simula la superficie) la parte más próxima al techo o 1,20 mts (que simula el fondo el pozo).

El control deslizante destinado a la velocidad permite controlar la misma a través de los pulsos del PWM de los motores que van desde 0 a 255 para la velocidad máxima. El programa lo coloca por defecto a su velocidad máxima, también se pude colocar manualmente el valor de la velocidad deseada en el recuadro adyacente a velocidad.

56

En el recuadro Data (presión, temperatura) se colocaran los valores de las lecturas de los sensores externos, es decir, las variables a medir en el pozo, estos valores pueden variar dependiendo de cuales sensores intercambiables se coloquen para una medición específica. Es importante destacar que debido a la modularidad de la aplicación eventualmente se pueden incorporar otras variables anexando estas a las existentes.

Figura 4.9: Interfaz gráfica implementada.

En la parte superior izquierda (Initial_rev) se muestran las revoluciones iniciales del ensayo debajo de estas se muestran las revoluciones desarrolladas por los motores medidas con el encoder (Delta Rev). Al lado se presenta la distancia Z en mm. medida con el sonar. En la parte inferior izquierda se presentan los botones (start) que es el botón de inicio del movimiento seleccionado y (stop) que es el botón utilizado para parar el robot finalmente se encuentra el botón de (close) que tiene por función cerrar todas las aplicaciones utilizadas en el programa.

Tarjeta de Adquisición de datos Para poder realizar dicha medición se diseñó una tarjeta controladora con el PIC 18F24455 con salida hacia el PC por puerto USB. Esta tarjeta permite medir de uno a tres encoders variando la programación del PIC. En la Figura 4.10 se muestra una fotografía de la tarjeta diseñada y en el Anexo C 2 se dan los detalles técnicos de su diseño.

57

Figura 4.10: Fotografía de la Tarjeta controladora diseñada con PIC para el control de los

encoders.

Para realizar el control cinemático de la estructura robotiza es necesaria incorporación de la estructura de sensores mostrada en la Figura 4.11.

Figura 4.11: Fotografía de la estructura de sensores implementada

Cámara

Cámara

IMU Sonar

Tarjeta de adquisición DAQ

58

Figura 4.12: La figura superior izquierda muestra una fotografía de la cámara, la superior derecha

muestra el programa LABVIEW® y la inferior muestra la imagen obtenida en la interfaz con la cámara.

Se dispone de una cámara inalámbrica implementada en la interfaz gráfica para la visión en el entorno de trabajo del robot. De acuerdo a la aplicación, ésta deberá adecuarse según el entorno de trabajo. Se presenta en la Figura 4.12 la cámara implementada. La figura adyacente a la cámara presenta la VI implementada en LabView® y la inferior muestra la imagen de la cámara.

Sensor de distancia. Para determinar el desplazamiento en Z que tiene la estructura se utilizó un sensor sonar Parallax PING que mide hasta 3 metros de distancia. Dicho sensor se colocó en la tarjeta de adquisición de datos diseñada para el robot y se utiliza para parar el robot cuando este llega al final de la tubería. Finalmente en la tarjeta de adquisición de datos diseñada se dispondrá espacio para colocar la estructura de sensores requerida para la medición de las variables en pozo. Control El sistema de control de RETOV es un sistema sencillo debido a las características de la aplicación que consiste en un lazo de control para los micro-motores desde el ordenador ubicado en la superficie del pozo. El programa de control fue desarrollado en LabView y la posición en Z proviene del sonar, que permite comparar con la posición deseada y controlar el sistema. El sistema de control implementado es un sistema de control de posición. Actuadores El sistema de actuadores está formado por tres micro-motores cuya selección se vio anteriormente estos se acoplan directamente a las ruedas que proporcionan el movimiento de la estructura. Cada uno de estos sistemas de actuadores dispone de un

59

servo que permite orientar las ruedas con un ángulo que puede variar de 0 a 90 grados. Ver Figura 4.13.

Figura 4.13: Sistema de Actuadores

En la Figura 4.14 se presenta la fotografía del robot de anillo cerrado implementado. Cabe destacar que en esta Tesis se realizaron dos diseños diferentes, uno de ellos con anillos cerrado como el que se muestra en la fotografía y otro con anillo abierto como se observa en la Figura 4.15.

Figera 4.14: Fotografía de el Robot RETOV de anillo cerrado

En la Figura 4.15 se presenta la fotografía del robot RETOV de anillo abierto diseñado para evadir obstáculos laterales. Este diseño presentó problemas por la ubicación del centro de gravedad por lo que será necesario realizar una segunda versión que solvente estos problemas. Es importante destacar que ambos diseños son completamente modulares, esto es, resulta sencillo añadir módulos individuales para aumentar las dimensiones del robot si fuera necesario para la aplicación.

Micro-Motor

Servo

Sistema de Suspensión

60

Figura 4.15: Fotografía del robot RETOV anillo abierto

A continuación, en la Figura 4.16, se presenta una vista del robot diseñado y el robot implementado.

Figura 4.16: La figura de la izquierda muestra el diseño en CAD y la figura de la derecha muestra

el robot implementado.

4.2. CONCLUSIONES

• Se describe cómo se realiza la selección de los actuadores y ruedas del robot. • Se indica cómo se implementó el cuerpo del robot y cómo se seleccionó el

hardware de control. • Se indica la descripción de cada uno de los componentes de la estructura

diseñada. • Se indica cómo se seleccionó la estructura de sensores para la implementación

de la cinemática. • Se indica cómo se diseñó la interfaz gráfica incorporando a ésta cada uno de los

elementos característicos del robot.

61

5MODELADO DEL ROBOT Este capítulo tiene como objeto obtener los modelos matemáticos del robot de inspección de tuberías (RETOV), que son necesarios para diseñar los esquemas de control de un robot para operación en pozo petrolífero de operación vertical. Para lo cual se estudian varios modelos y finalmente se decidirá el más apropiado para su aplicación en la estructura propuesta. Se pretende establecer un modelo matemático que describa las propiedades y comportamientos de la estructura diseñada en cuanto a sus características cinemáticas y dinámicas, así como también conocer la ubicación y posición de la estructura robótica a lo largo de la tubería. Pudiendo de esta manera ser utilizada en la industria petrolera para varios propósitos de inspección de tuberías dentro de las cuales se encuentra la inspección en pozos de las bombas de extracción petrolera. En la primera parte se analiza el modelo cinemático de una rueda, luego el de las tres ruedas del robot. Dicho modelo cinemático se obtiene a partir de la teoría de mecánica clásica. Posteriormente se obtiene el modelo dinámico de los motores de corriente continua que proveen al vehículo de locomoción. En la sección 5.1 se presenta una descripción de la estructura, en la sección 5.2 el modelado de una rueda. En la sección 5.3 se presenta el modelado de la estructura uti-lizando la teoría de robot móviles. En la sección 5.4 utilizando matrices de transforma-ción , en la sección 5.5 el modelo usando matriz de transformación con ejes screw y se establece de acuerdo a la aplicación cual es el modelo. Dicho robot está dentro de la categoría de robot móvil con tres ruedas de tracción motorizadas independientemente colocadas sobre un anillo cuyas dimensiones permiten su desplazamiento entre dos tuberías. En la bibliografía se presentan varios prototipos que utilizan la estructura con tres ruedas como la presentada en nuestro prototipo dentro de los cuales se pueden mencionar el de Martinson et.al, (Martinson, Miller y Wasi 2012). El vehículo móvil bajo estudio tiene tres llantas en una base de anillos articulados separadas 120 grados cada una lo que le brinda gran estabilidad. Esta estructura se desplazará sujeta a la tubería pudiendo realizar tres tipos de movimientos longitudinales, helicoidales, rotacionales. Es de gran interés en dicho estudio cómo afecta la gravedad en el comportamiento de la estructura. Cada una de las llantas dispone de un motor de corriente continua para el accio-namiento de la misma y un servo motor que le permite su orientación.

62

Se consideran que las ruedas motrices son lo suficientemente rígidas, no deformables y que giran con el menor deslizamiento posible sobre la superficie en la cual se mueven, además el espacio de trabajo queda restringido a la tubería. La cinemática es el estudio del movimiento del vehículo sin considerar las fuer-zas que lo ocasionan. Su análisis se basa en las variables de posición junto con sus derivadas. Existen dos enfoques dentro de la cinemática llamados cinemática directa y cinemática inversa. El problema de la cinemática directa no es más que encontrar la posición y orientación del vehículo respecto a un marco de coordenadas fijo de referencia, que sin pérdidas de la generalidad es el plano XYZ. Para el cálculo de la cinemática directa puede verse como una transformación que mapea pares de trayectorias de velocidad del vehículo, en la trayectoria recorridas por el vehículo en el espacio cartesiano, es decir:

( ): , ( ) ( ) ( ), ( ), ( )v t w t X t x t y t z tψ → = ec.(5.1) Donde: ( )v t Velocidad lineal de la rueda [cm/seg]. ( )w t Velocidad Angular de la rueda [rad/ seg]. ( )x t coordenada x con respecto al tiempo. ( )y t coordenada y con respecto al tiempo. ( )z t coordenada z con respecto al tiempo. La posición y orientación del vehículo puede describirse por las coordenadas [x, y, z] que denota la posición del centro del robot con respecto al sistema de referencia. Para realizar el estudio cinemático de un robot móvil es necesario entender la mecánica del mismo. Para entender el movimiento de un robot móvil es necesario determinar la contribución que realiza cada rueda al movimiento del robot. Cada rueda también impone restricciones como el no desplazamiento lateral. El robot se mueve de acuerdo a su geometría. Se debe describir la cinemática de cada rueda de forma individual y su contribución al movimiento de la estructura. La estructura cinemática de un robot móvil, se puede considerar como un conjunto de cadenas cinemáticas cerradas, tantas como ruedas en contacto con el suelo. Así mismo, la interacción rueda-suelo se define, desde el punto de vista cinemático, como una articulación planar con tres grados de libertad, donde uno de ellos, generalmente sin controlar, representa los deslizamientos laterales. Estos dos hechos dificultan la construcción del modelo, ya que se dan efectos no presentes en los manipuladores. En concreto, cobra gran importancia la perfecta sincronización de la velocidad de las ruedas para alcanzar una localización determinada. Esto se debe a que el avance a lo largo de un grado de libertad cartesiano, se consigue gracias a la combinación de las aportaciones de las velocidades lineales de las ruedas al punto de guía del vehículo. Por esta razón de complejidad, muchos autores emplean soluciones cinemáticas particularizadas para cada configuración específica de vehículos.

63

La cinemática, se centra en el estudio del movimiento del robot en función de su geometría. Entre las aplicaciones inmediatas se encuentran la posibilidad de utilizarlo como modelo matemático de partida para el diseño del controlador, la simulación del comportamiento cinemático del vehículo, o para establecer las ecuaciones de los cálcu-los odométricos. Normalmente, se consideran las siguientes restricciones para la cons-trucción del modelo cinemático:

• No existen elementos flexibles en la estructura del robot (incluidas las ruedas). Las ruedas poseen uno o ningún eje de direccionamiento, de manera que este último siempre es perpendicular a la tubería.

• No se consideran ningún tipo de fricciones en elementos móviles del vehículo, o contra la tubería.

• No hay más de un enlace guiado por cada rueda. Todos los ejes de guiado son perpendiculares a la tubería.

• No hay deslizamiento entre las ruedas y el suelo. La fricción es lo suficiente pequeña para permitir el giro de cualquier rueda alrededor de su eje de guiado. Siendo estas dos últimas las dos condiciones más difíciles de cumplir para la estructura.

5.1. MODELO CINEMÁTICO

(a) (b)

Figura 5.1: Diagrama de Velocidades de una rueda. b) Estructura robótica de robot en tubería.

Antes de describir la estructura es importante destacar que ésta se moverá por el exterior de una tubería con la finalidad de llevar sensores para tomar medidas de las variables que se encuentran en el pozo petrolero. Por lo tanto su cinemática se encuentra restringida a los movimientos que él robot pueda realizar en la tubería. La estructura de la Figura 5.1 posee tres ruedas equidistantes a 120 grados. Dichas ruedas son dirigibles en un ángulo que puede variar desde 0 a 90 grados. Para lograr dirigir las ruedas se utilizó servomotores. Así se permiten tres movimientos posibles: rotar alrededor de la misma si el ángulo que forman los servos es de 0 grados, desplazarse longitudinalmente en ésta si el ángulo que forman las ruedas con la horizontal es de 90 grados o desplazarse helicoidalmente si el ángulo varía entre 0 y 90 grados. Debido a que las ruedas los motores y los servos son exactamente iguales. Se realizará el modelo de una rueda y será igual para las otras dos con un desfasaje de 120 y 240 grados respectivamente.

θ

z

r

64

Figura 5.2: Diagrama de Desfasaje de las ruedas de la estructura robótica propuesta.

5.1.1 Modelado de una Rueda Analizando una rueda se tienen las siguientes posibilidades de movimientos: translacional, rotacional y helicoidal simulados en Matlab®.

Figura 5.3: Desplazamiento de la estructura un ángulo de 90 grados en la tubería.

Cuando el ángulo del servo es de 90 grados, ver Figura 5.3, la rueda se desplaza en forma longitudinal por la tubería y, el robot se mueve a lo largo de una superficie cilíndrica con un movimiento translacional.

699 699.5

700 700.5

701

699 699.5

700 700.5

701 0

0.5

1

1.5

x 10 -3 z[mm]

CINEMÁTICA RETOV

x[mm] y[mm]

120º 120º

120º

y[mm] x[mm]

z[mm]

65

El desplazamiento en Z vendrá dado por la velocidad angular de la rueda en esa dirección. Luego el desplazamiento en Z vendrá definido por la siguiente ecuación:

2s r nπ= ec.(5.2)

Donde: s es el desplazamiento de la rueda [cm], n es el número de vueltas [unidad] y r es el radio de la rueda [cm]. La posición inicial para cada una de las ruedas del robot vendrá dada por: [ ], ,i i ix y z ec.(5.3) Donde: i es el número de la rueda (unidad),

ix coordenada x de cada rueda,

iy

coordenada y , i

z coordenada x de cada rueda respectivamente.

Este modelo se basa en lo propuesto por Polchankajorn et. al, (Polchankajorn, Maneewarn y Mongkut's, Helical Controller for Modular Snake Robot with Non-holonomic Constraint 2011) donde se obtiene un controlador de trayectoria helicoidal para un robot tipo serpiente cuyas ecuaciones son similares a las propuestas en este desarrollo.

Considerando que el eje de referencia global se encuentra en el centro geométrico del robot las coordenadas , ,X Y Z vendrán dadas por:

( ) ( )cos 2i iR Rsen rnθ θ π =p ec.(5.4)

Donde: R es el radio de la tubería [cm].

iθ es el ángulo que recorre la rueda en la tubería.

Si el ángulo es de º( ) 0tθ = , el robot gira alrededor de la tubería como se muestra en la Figura 5.4.

Figura 5.4: Robot rotando alrededor de la tubería cuando el ángulo de inclinación de la rueda es de 0 grados simulación en Matlab®.

Luego las ecuaciones que describen su movimiento alrededor de la tubería serán las de la de una trayectoria helicoidal cilíndrica cuyo paso es cero como se presenta a continuación en la Figura 5.5. En esta figura se puede observar cómo la rueda rota en la tubería.

-1000-500

0500

1000

-1000-500

0

5001000

-1

-0.5

0

0.5

1

eje

z[m

m]

CINEMATICA RETOV(phi=0)

eje x[mm]eje y[mm]

y[mm] x[mm]

z[mm]

66

La posición de cada una de las ruedas vendrá dada por ( ), ,X Y Z : [ .cos ( ), . ( ), . ]i i iR R sen dθ θ θ=p

ec.(5.5)

Donde: d es el paso (unidad para este caso es ( )0d = ).

Si el ángulo va de º( ) 0 90t aθ = el robot tiene una trayectoria de hélice cilíndrica.

Las ecuaciones paramétricas para una hélice cilíndrica son las siguientes:

co s( ) ( ) 2dr R i Rsen j kθ θ θπ

= + +

ec.(5.6)

Donde: ( ), ( ), ( )x y zθ θ θ

Son los puntos x, y, z para un ángulo θ dado.

Al derivar las ecuaciones paramétricas de la hélice se puede calcular el arco:

( ) ( )( ) , cos , d s R sen R dθ θ=

ec.(5.7)

Para relacionar el paso con el ángulo : θ : ( ) dsen sφ = . ec.(5.8)

Donde:

ϕ es el ángulo de inclinación de la rueda. Finalmente, la relación entre el ángulo θ y el ángulo de inclinación de las ruedas φ (para pequeños valores de θ ) está dada por:

( ) ( )tan

tt arc

R tgθ

φ

= ec.(5.9)

( ) ( ).cosx Rθ θ= ec.(5.10)

( ) .s ( )y R enθ θ= ec.(5.11)

( ) .z dθ θ= ec.(5.12)

Simulando las ecuaciones paramétricas anteriores para un ángulo de º15φ = , se obtiene un desplazamiento helicoidal sobre la tubería que puede observarse en la Figura 5.5.

67

Figura 5.5: Simulación en MATLAB® para una rueda girando con una trayectoria helicoidal

alrededor de la tubería con un ángulo de 15 grados.

5.1.2. Modelado de ruedas de la estructura Robótica usando matrices de transformación.

Figura 5.6: Esquemático de la estructura robótica girando helicoidalmente en la tubería con un ángulo de 45 grados.

Las velocidades vendrán dadas por las derivadas de , ,x y z

. . , . .co s ,R sen Rθ θ θ θ ω =p

ec.(5.13)

El modelo del robot se representará de tres formas la primera con el modelo geométrico como se mostro en la sección anterior en la cual se modeló el movimiento de una rueda según las trayectorias descritas (Longitudinal, rotacional, helicoidal cilíndrica) en cada uno de los casos.

-1000 -500 0

500 1000

-1000 -500

0 500

1000 0

0.5

1

1.5 x 10 -3

eje z[mm]

CINEMATICA RETOV ( φ =15 ° )

eje x[mm] eje y[mm]

y[mm] x[mm]

z[mm]

68

5.2. MODELO CINEMÁTICO USANDO LA TEORÍA DE ROBOT MÓVILES.

5.2.1. Ecuaciones cinemáticas. Sea una rueda que gira alrededor de una tubería tal como se muestra en la Figura 5.7,

Figura 5.7: Modelo rueda girando alrededor de la tubería

Sea las ecuaciones que definen su movimiento del robot dadas por su desplazamiento en Z y el desplazamiento angular alrededor de la tubería la tubería representado por las siguientes ecuaciones:

( ) cosrR

ω φθ = …….ec.(5.14)

( ) z r senω φ= ec.(5.15) Donde: θ es la velocidad tangencial de la estructura. ω es la velocidad angular. Expresando las ecuaciones anteriores como ecuaciones de estado se tiene que el modelo cinemático del robot es:

( )( )

0 cos.

0

rR

senz r

ω φθω φ

=

ec.(5.16)

Donde la acción de control está dada por:

( ) ( )cos sin Tω φ ω φ ec.(5.17) Luego el bloque de retroalimentación viene dado por:

.

.

/ 0.

0 1/z

d

d

R r Kur z K z

θθ θ

+=

+

ec.(5.18)

d mθ θ θ= − ec.(5.19)

d mz z z= − ec.(5.20)

y[mm] x[mm]

z[mm]

69

Donde 0Kθ > y 0Kz > son las ganancias de los controladores, θ es el error angular y z es el error en Z.

T

d d zK z K zθθ θ + +

: ec.(5.21)

Operando

.d

Ru Kr θθ θ= + ec.(5.22) .

d zz K zrω+

= ec.(5.23)

En la Figura 5.8 se muestran los resultados de simulación de modelo matemático descrito anteriormente. En principio se simula una rotación pura alrededor de la tubería con un ángulo de giro de θ de 360. Posteriormente se realiza un movimiento de ascenso sobre la tubería hasta alcanzar el valor final programado. En esta figura se muestran los valores alcanzados por el ángulo θ , z , tanto en el plano como en el espacio,

Figura 5.8: Simulación robot rotando 360 grados en la tubería y desplazándose verticalmente sobre la misma.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

50

100

150

200

250

300

350

400Angulo Theta (rad)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10Z(m)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 Cinematica RETOV

θ(rad)

Z(m)

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1

-0.1 -0.05

0 0.05 0.1 0

2 4 6 8

10

X[m]

Cinemática RETOV

Y[m]

Z[m]

70

Figura 5.9: Simulación robot con un movimiento helicoidal en la tubería.

En la Figura 5.9 se presentan los resultados de simulación en Matlab® cuando el robot realiza una trayectoria helicoidal helicoidal sobre la tubería.

5.2.2. Controlador Cinemático El controlador cinemático del robot se basa en el modelo cinemático del mismo y desprecia las incertidumbres de las coordenadas del punto de interés Th zθ = .

Luego la ley de control cinemática propuesta es:

.

/ 0 ..0 1/

dcrefcref

zd

zR r K

r z K z

θθ θ θ

+=

+

ec.(5.24)

Tc cd ref refv zθ = ec.(5.25)

Para minimizar el efecto causado por la saturación de los motores se propone la siguiente ley de control dada en la ec. (5.26):

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12Z(m)

0 50 100 150 200 250 300 350 0

2

4

6

8

10

12 Cinemática RETOV

θ(rad)

Z(m)

-0.1 -0.05 0 0.05 0. -0.1

-0.05 0

0.05 0.

0 2 4 6 8

10 12

X(m)

Cinemática RETOV

Y(m)

Z(m)

0 20 40 60 80 100 120 0 50

100 150 200 250 300 350 ángulo θ (rad)

71

. )

. tanh( . )/ 0.

0 1/ . tanh(

crefcref z

zz

d

zd

Iz

zI

KK IR rr Kz K z I

θθ

θθθ

θ θ θ

+ +=

+ +

ec.(5.26)

El término que se agregó a la ecuación trata de evitar la saturación de los motores. Estas constantes garantizan que los comandos enviados al robot están en el límite aceptable para los motores ( , )d dzθ son los valores deseados en el punto de interés. Donde I θ y zI son las constantes de saturación. El controlador cinemático genera las referencias de velocidades y ángulos para ser usado por el controlador dinámico. Estimación de la posición y orientación de robot móviles hace necesaria la integración de las ecuaciones de los modelos presentados. Si se integra la ecuación anterior conociendo la posición y orientación 0 0

T

zθ se obtiene:

00

0

0

. .cos /

. .

t

t

r R

zz r sen

ω φθθ

ω φ

∫= +

∫ ec.(5.27)

No obstante es importante destacar que la estimación de posición mediante las expresiones anteriores es una aproximación válida solo para periodos lo suficientemente pequeños. En caso contrario se produce una acumulación de errores debido a inevitables deslizamientos y otros efectos provocados por comportamientos dinámicos, relacionados fundamentalmente con la interacción entre el vehículo y la tubería, que no están contemplados en el modelo. Los modelos directos se emplean para simular el comportamiento del robot cuando se aplican estímulos (variables de control) a sus partes móviles, que en el presente caso equivalen a aplicar velocidades de giro a los ejes del robot.

5.3. MODELO CON MATRIZ DE TRANSFORMACIÓN DENAVIT-HARTEMBERG

La segunda forma utilizada para modelar la estructura será con Denavit- Hartemberg; esto es, representar la rotación y traslación alrededor del eje Z de las tres ruedas del robot, utilizando las matrices de transformación. El modelo es el mismo pero con un desfasaje de las ruedas de 0120 =iθ , es decir:

1 0= θ , 2 120θ = , y 3 240θ = , respectivamente. Si se desarrolla la helicoide en un plano como se muestra en la Figura 5.11 se obtiene la ecuación de movimiento deseada.

72

Figura 5.11:a) Geometría del movimiento helicoidal desarrollado en el plano b) Helicoide correspondiente

2. . . ,t r n senπ φ= ec.(5.28)

Donde: n es el número de vueltas que da la rueda.

Tabla 5.1.Matriz de D-H de RETOV.

Articulación iθ d a α matriz

1 θ d 0 0 1A

La matriz de transformación es:

1

cos 0 0cos 0 0

0 0 10 0 0 1

sensen

Ad

θ θθ θ

−

= ec.(5.29)

Aplicando la matriz de transformación anterior para una rotación y traslación sobre el eje Z para cada una de las ruedas se tienen los siguientes resultados para un ángulo φ = 90 grados:

cos 0 0cos 0 0

1 0 0 10 0 0 1

sensen

Ad

θ θθ θ

−

= ec.(5.30)

Por cada uno de los vectores de las ruedas:

73

1 0 0 1 TP R = ec.(5.31)

2 1( 0 0 0 120 .( ))P MTH P = ec.(5.32)

3 1( 0 0 0 240 .( ))P MTH P = ec.(5.33) Las Figuras 5.12 y 5.13 muestran los resultados de simulaciones realizadas en Matlab® para un ángulo ϕ de 90 y 45 grados, respectivamente;

Figura 5.12: Simulación de las tres ruedas desplazándose para un ángulo ϕ de 90 grados.

Figura 5.13: Simulación de las tres ruedas desplazándose para un ángulo ϕ de 45 grados

Para el caso de φ =0 grados se presenta una condición particular en la cual: t=0. Luego el desplazamiento de las ruedas sobre la tubería vendrá dado por la ec. (5.34) y los resultados de simulación se muestran en la Figura 5.14:

1

cos 0 0cos 0 0

0 0 1 00 0 0 1

sensen

A

θ θθ θ

−

= ec.(5.34)

-1-0.5

00.5

1

-1-0.5

00.5

1-1

-0.5

0

0.5

1

eje x[mm]

CINEMATICA RETOV φ = 0°

eje y[mm]

eje

z[m

m]

-0.4-0.2

00.2

0.4

-0.4-0.2

0

0.20.4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

eje

z[m

]

CINEMATICA RETOV φ = 45°

eje x[m]eje y[m]

74

Figura 5.14: Simulación de las tres ruedas desplazándose para un ángulo ϕ de 0 grados.

5.4. MODELO USANDO MATRIZ DE TRANSFORMACIÓN CON EJES SCREW.

La teoría del tensor fue desarrollada por Sir Robert Stawell Ball en 1876, para aplicarla en cinemática y estática de mecanismos (mecánica de cuerpos rígidos). Es una forma de expresar desplazamientos, velocidades, fuerzas y torques en tres dimensiones, combinando tanto partes rotacionales como traslacionales. En los últimos años, esta teoría está siendo utilizada como una parte importante en robótica, diseño mecánico, geometría computacional y dinámica de cuerpos compuestos. Ciertas transformaciones homogéneas compuestas aparecen en aplicaciones de robótica como es el caso de estudio. Un desplazamiento lineal a lo largo del eje Z combinado con un desplazamiento angular en el mismo eje. Este tipo de movimiento corresponde a una operación de roscado o desenroscada, y por tanto se denomina transformación de screw. Para una rotación pura, el desplazamiento lineal es cero, consecuentemente, una rotación pura es un tornillo de paso 0 y una traslación pura es de paso infinito.

En general, se puede definir los movimientos en tres dimensiones mediante un tensor con una determinada dirección y pendiente. Se requieren cuatro parámetros para definir completamente el movimiento de un tensor, las tres componentes de un vector dirección y el ángulo girado en esa línea. En contraste, el método tradicional de caracterización de movimientos en tres dimensiones usando Ángulos de Euler requiere de 6 parámetros, 3 ángulos de rotación y un vector de traslación 3x1. El teorema de Chasles establece que un desplazamiento general en el espacio de un cuerpo rígido representa el número de vueltas que da la rueda. Esto puede interpretarse como una rotación seguida de una traslación. Una consecuencia de este teorema establece que independientemente de cómo un cuerpo rígido es desplazado de un lugar a otro y es denominado desplazamiento de screw. Este puede ser representado por una matriz de transformación homogénea. Para determinar el punto de desplazamiento se utiliza la siguiente expresión:

A pP A p= ec.(5.35)

eje z[m]

-1 -0.5

0 0.5

1

-1 -0.5

0 0.5

1 -1

-0.5

0

eje x[m]

CINEMÁTICA RETOV φ = 0 °

eje y[m]

75

Donde: p es el punto inicial y se define además,

, ,s s s szx y

= ec.(5.36)

0 0 0, ,o x y zs s s s = ec.(5.37)

Donde:θ es el ángulo de rotación alrededor del eje screw.

4 4P ×∈ℜA es una matriz de transformación homogénea dada por los coeficientes que se indican en lo que sigue. Sea:

.360Nθ = ec.(5.38) Donde N es el número de vueltas que da el robot alrededor de la tubería pudiendo ser fraccionario. De la Figura 5.11(a) se tiene que:

.dtg Rφθ

= ec. (5.39)

Despejando

tan( ).da Rφθ

= ec.(5.40)

dsen sφ = ec.(5.41)

Con la ec. (5.8) se obtiene:

ds senφ= ec.(5.42)

2. drn senπφ

= ec.(5.43)

ec.(5.44)

Por condiciones físicas de la estructura el ángulo 0 90φ< ≤ El número de vueltas que da la rueda está dado por:

zn r rsenπ φ=

ec.(5.45)

La teoría de ejes screw plantea:

0

$SS

=

2. . .dnr senπ φ

=

76

Los coeficientes de la matriz A se presentan a continuación:

11

2( 1)(1 cos ) 1xa s θ= − − +

12 (1 cos ) sinx y za s s sθ θ= − −

13 (1 cos ) sinx z ya s s sθ θ= − +

21 (1 cos )y z za s s s sinθ θ= − +

222 ( 1)(1 cos ) 1ya s θ= − − +

23 (1 cos sin )y z ya s s sθ θ= − −

31 (1 cos sin )z x xa s s sθ θ= − +

233 ( 1)(1 cos ) 1za s θ= − − + ec.(5.46)

14 0 11 0 12 0 13( 1)x x y za ds s a s a s a= − − − −

24 0 21 0 22 0 23( 1)y x y za ds s a s a s a= − − − −

41 0 31 0 32 0 33( 1)z x y za ds s a s a s a= − − − −

42 0a =

43 0a =

44 1a =

Es importante destacar que los parámetros asociados con la localización de los

ejes screw deben cumplir con las siguientes ecuaciones:

1Ts s = ec.(5.47)

0 0Ts s = ec.(5.48)

77

Para una rueda:

La ecuación de la cinemática directa permite ubicar a la estructura desde la

posición de referencia o posición objetivo que puede ser establecido como la resultante

de n desplazamientos screw sucesivos:

1 2...h n=A A A A ec.(5.49)

Donde: 01S está ubicado en el centro geométrico del robot.

En la Tabla 5.2 se resumen los datos geométricos del robot necesarios para el

cálculo del modelo cinemático mediante la teoría de screw. Del mismo, en la Figura 5.15, el lector puede observar la aportación de los ejes de screw a la estructura robótica propuesta.

Tabla 5.2. Dimensiones de la Estructura

Eslabón longitud Valor

1 R 69.8mm

2 r 21mm

Figura 5.15: Esquemático de la colocación de los ejes screw en la estructura de RETOV.

Si se considera a la estructura como un screw se tiene una sola junta desplazada como se presenta en la Tabla 5.3

Tabla 5.3. Localización de los Ejes screw de la estructura.

Junta iS 0iS tipo variable matriz

1 (0,0,1) (0,0,1) Rotacional-traslacional θ 1A

78

Si se asume que el punto esta dado por 0 0 1R= p , y se sustituye los vectores iS

y 0iS en los parámetros de screw anteriores, se obtienen las matrices de transformación

1A y 2A :

1

cos 0 0cos 0 0

0 0 1 00 0 0 1

sensen

A

θ θθ α

−

= ec.(5.50)

2

1 0 0 00 1 0 00 0 10 0 0 1

Ad

= ec.(5.51)

La cinemática directa vendrá representada por:

1 2 0fP P= A A ec.(5.52)

Donde:

fP es la localización deseada. 0P es la localización inicial de la estructura.

Debido a que el movimiento de la estructura es el de un tornillo se realizó la

analogía para determinar por screw la posición del robot determinando la de una rueda y

desfasando 120 y 240 respectivamente para obtener la posición de las otras ruedas

respectivamente.

Se realizaron diversas simulaciones en Matlab con el modelo cinemático

propuesto. Para ello se realizó una planificación de trayectoria en la que dada una

distancia de desplazamiento en Z y número de vueltas que se desea dar con la

estructura, se calcula el ángulo de inclinación que deberá tener el servomotor para

lograr alcanzar la posición deseada.

A modo de ejemplo, en la Figura 5.16 se pueden observar algunos de estos

resultados donde se ha supuesto un ángulo 00φ = , 0360θ = , Z=0, r=21mm, y

R=69.8mm.

79

Figura 5.16. Simulación con ϕ=0, θ=180 grados, Z=0, r=21mm, R=69.8mm.

Para un ángulo de 037φ = , 360θ = , Z=1000mm, r=21mm, y R=69.8mm los resultados son los que ver Figura 5.17.

Figura 5.17: Simulación con φ =37, θ=960 grados, Z=1000mm, r=21mm, R=69.8mm.

Para un ángulo de 037φ = , 360θ = , Z=1000mm, r=21mm, y R=69.8mm los resultados se presentan en la Figura 5.18.

Figura 5.18: Simulación para un ángulo de φ =37, θ=360, Z=1000mm, r=21mm, R=69.8mm.

-50 0

50 -50

0 50

0 200 400 600 800

1000

X(mm)

RETOV Cinematica ( φ = 66 ° )

Y(mm)

Z(mm)

-50 0

50 -50

0 50

0 200 400 600 800

1000

X(mm)


Y(mm)

Z(mm)

-50 0

50 -50

0 50

0 200 400 600 800

1000

X(mm)


Y(mm)

Z(mm)

80

Para un ángulo de 090φ = , 0θ = , Z=1000mm, r=21mm, y R=69.8mm se observan en la Figura 5.19.

Figura 5.19: Simulación para un ángulo de φ =90, θ=0, Z=1000mm, r=21mm, R=69.8mm.

Para tres Ruedas:

Para el caso de simulación de las tres ruedas con un ángulo de 090φ = , 0θ = , Z=0mm, r=21mm, y R=69.8mm los resultados se presentan en la Figura 5.20. en la Figura 5.21 se observan los resultados para 066φ = , 360θ = , Z=1000mm, r=21mm, y R=69.8mm. Finalmente para 090φ = , 0θ = , Z=1000mm, r=21mm, y R=69.8mm se observan en la Figura 5.22.

Figura 5.20: Simulación para un ángulo de ϕ=0, θ=90, Z=1000mm, r=21mm, R=69.8mm.

-50 0

50 -50

0 50

0 200 400 600 800

1000

X[mm]

RETOV Cinemática ( φ = 0 ° )

Y[mm]

Z[mm]

-50 0

50 -50

0 50

0 200 400 600 800

1000

X(mm)


Y(mm)

Z(mm)

81



5.4.1. Control cinemático de la estructura

En las secciones anteriores se planteó el modelo que permite determinar la

posición de referencia asociada a la rueda, con respecto al centro de la estructura.

Debido a las características de la estructura a su desplazamiento vertical sobre la

tubería, ésta se ve sometida a considerables condiciones de deslizamiento que serán

consideradas como perturbaciones del sistema. Por lo que se establecerá un sistema

alternativo para determinar la posición de la estructura robótica midiendo la distancia

desde las ruedas hasta el suelo utilizando un sonar. Esto permite cerrar el lazo de control

y minimizar las perturbaciones ocasionadas por el deslizamiento en la tubería.

-500

50

-50

0

50

0

200

400

600

800

1000

X(mm)

RETOV Cinematica (φ = 66°)

Y(mm)

Z(m

m)

-500

50

-50

0

50

0

200

400

600

800

1000

X(mm)

RETOV Cinematica (φ = 90°)

Y(mm)

Z(m

m)

82

A continuación, en la Figura 5.23, se presenta el diagrama de bloque del sistema

de control implementado de posicionamiento final sin prescribir orientación final. Se

asume que Z es la variable a medir entonces la estructura de control es:

Figura 5.23: Diagrama de bloques de la estructura esquemática de control propuesta de RETOV.

Como no dispone de un sensor para la medición de la orientación, se considerará

solamente la variable Z. Conocida la altura

ec.(5.53)

Donde: np es el número de pasos que debe girar la estructura para alcanzar una

altura determinada.

Comparando los diferentes modelos descritos anteriormente para describir el modelo matemático e implementar el mismo, es importante establecer algunas diferencias que permitirán seleccionar el más adecuado para su implemetación. Una ventaja fundamental del formalismo del POE de Lie es que proporciona una formulación elegante de varios problemas canónicos para resolver de forma geométrica y cerrada complejos problemas de cinemática inversa. Por el contrario, con los parámetros de D-H resulta muy difícil encontrar soluciones cerradas para problemas cinemáticas inversos de más de 3GDL. Otra ventaja importante del Screw es la descripción realmente geométrica del movimiento del sólido rígido, que simplifica enormemente el análisis del mecanismo similar al propuesto para esta aplicación. En la mayor parte de los problemas de robótica es mucho más fácil construir la cinemática basándose en las técnicas de Lie porque sólo son necesarios dos sistemas de referencia, éstos son, el de la base y el del eslabón cinemático de interés. CONCLUSIONES

- Se desarrollaron las ecuaciones cinemáticas representando las por varios métodos con sus respectivas simulaciones en Matlab®:

Inicialmente para una rueda y tres ruedas geométricamente.

.Z np t=

83

Por robot móviles. Por matrices de transformación D-H. Una representación geométrica con screw.

- Se propone la estrategia de control cinemático que seguirá el robot durante la realización de tareas de ascenso y descenso de manera vertical y helicoidal.

85

6PRUEBAS Y RESULTADOS Este capítulo tiene como objeto describir las pruebas realizadas con la estructura robótica diseñada. Se explican los objetivos que busca alcanzar cada prueba, así como también se detalla el desarrollo de la prueba. Dentro de los resultados se muestran las gráficas y el detalle de los errores resultantes en cada prueba. Se incluyen para las pruebas los tres tipos de movimientos de la estructura robótica. En la primera parte se describe cómo se realizó la sensorización del sistema y luego se indican algunos ajustes que fueron necesarios realizar a la estructura para mejorar su funcionamiento. En la estructura se incorpora un sonar y un encoder. El sonar permite medir la distancia de ubicación del robot al punto de control. En un rango de acuerdo a las curvas características del mismo a continuación se presentan las medidas tomadas y comparadas con las curvas del sensor. Aunque el sensor parece muy estable, en ocasiones se registran mediciones distintas a las expuestas, por lo que se deberá tener precaución con algunas de las medidas.

Para el prototipo desarrollado en este proyecto no se requiere mayor precisión que la obtenida ya que el objetivo final es determinar la distancia de la estructura al punto de interés para poder realizar el control propuesto que es la llegada a la superficie o al fondo del pozo para la medición de variables en la bomba. Debido a la proximidad de las distancias en el laboratorio fue suficiente con un solo sonar en el caso real deberán colocarse uno en cada extremo de la estructura apuntando hacia arriba y hacia bajo respectivamente para la navegación del robot en la tubería. Con el encoder se determina la odometría que permitirá en la cinemática directa la ubicación del robot. El sonar permitirá retroalimentar el lazo de control con el controlador desarrollado para este robot.

6.1. ACONDICIONMIENTO DEL ROBOT

6.1.1. ACONDICIONANDO LA SEÑAL Los motores DC usados en la estructura robótica introducen mucha interferencia, lo que hace que la señal no sea uniforme. Esta interferencia causa una vibración en la estructura robótica y un mal funcionamiento de los componentes en general por lo que se decidió instalar filtros para alta y baja frecuencia en la fuente de alimentación y en las proximidades de los motores con lo que se logró eliminar dicho efecto y optimizar el comportamiento de la estructura. Se colocó un capacitor de 1000 μ faradios y otro de 0,1μ faradios, para filtrar las frecuencias altas y bajas respectivamente.

86

Gracias a los capacitores agregados se observa una mejora muy apreciable en la señal de voltaje de alimentación del sistema en general. Para mejorar el sistema electrónico del robot se independizó la electrónica del robot de la alimentación del robot para lo cual se utilizó una tarjeta controladora diseñada a medida que permite incorporar otros sensores adicionales al encoder y sonar los cuales irán implementados sobre la estructura del robot y así se eliminó la posibilidad de ruido e interferencias del sistema de sensores.

6.1.2. AJUSTE DE LA VELOCIDAD Con el objetivo de verificar las velocidades y posición del robot se utilizó un encoder en cuadratura Pololu. Anexo se presentan algunas medidas realizadas con este. Parado: 17 Velocidad lenta: 85 Velocidad rápida: 170 Máxima velocidad: 238 Con estas cantidades, la relación de trabajo para cada velocidad es: Parado: 17/255 Velocidad lenta: 85/255 Velocidad rápida: 170/255 Máxima velocidad: 238/255 Previo a la implementación del controlador se realizaron pruebas con la estructura en ascenso y descenso determinando los tiempos resultando los siguientes valores presentados en la Tabla 6.1

Tabla 6.1 Tiempos obtenidos con el Robot en ascenso y descenso lineal en promedio

Característica Valor Tiempo de subida 3,3 seg Tiempo de bajada 5,5 seg

Debido a la cantidad de conexiones eléctricas de la estructura el número de actuadores que ésta maneja se debe tener en cuenta la robustez (flexibilidad) ya que el funcionamiento del robot se pone a prueba. En el sistema existe un equilibrio de tiempo de muestreo entre los sensores (IMU-Sonar) con valores de (1ms-10ms respectivamente) del sistema para lo cual se encontró dicho equilibrio con ensayos previos de calibración de la estructura con un valor promedio de 5 ms como valor definitivo para la base de tiempo. Se descartó el uso de la IMU ya que el magnetómetro que contiene se ve afectado por la tubería.

6.2. EXPERIMENTOS CINEMÁTICA DIRECTA CON EL MODELO DE ROBÓTICA MÓVIL

6.2.1. CINEMÁTICA DIRECTA MOVIMIENTO ROTACIONAL

87

Se realizaron ensayos con la estructura rotando alrededor de la tubería obteniendo los siguientes resultados ver Figura 6.1 y Figura 6.2:

Figura 6.1: Velocidad del encoder en rpm y rad/seg robot rotando por la tubería con un ángulo de 0 grados en

un sentido 2.

Figura 6.2: Cinemática directa Z

•

y θ•

del Robot Rotando en 0 grados sentido 2 por la tubería

Para realizar el control de velocidad se requieren realizar una integración de esta

Figura 6.3: Velocidad del encoder en rpm y rad/seg robot rotando por la tubería con un ángulo de

0 grados en un sentido.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0

10

20

30

40

50

60

70

Tiempo [seg]

ω[rpm] ω[rad/seg]

ω [indicada]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 -1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.

0.

Tiempo [seg])

θ rad/seg]

Z [mm/seg]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 0

10

20

30

40

50

60

Tiempo [seg]

ω [rpm] ω[rad/seg]

ω

88


•

y θ•

del robot girando en 0 grados sentido 1 por la tubería.

En la Figura 6.1se muestra el movimiento rotacional de la estructura con una velocidad del orden de los 55 rpm como era de esperarse ya que los motores no están alimentados con el voltaje nominal. En la Figura 6.2 se presentan los resultados experimentales de la cinemática para robot móvil planteada en el capítulo 5 donde se puede observar para la velocidad de desplazamiento de la rueda tiene un valor constante como era de esperarse debido al desplazamiento rotacional. En las Figura 6.3 y Figura 6.4 similares a las anteriores, pero girando en sentido contrario se presentan valores similares a los valores de la cinemática directa Z

•

y θ•

de las Figuras 6.1 y 6.2. Para realizar el control de velocidad se requiere realizar la derivada de esta ya que los sensores que se disponen para el robot son sensores de posición. Debido los posibles errores que se presentasen debido a la derivada a medida que aumenta el recorrido del robot, se realizó un control de posición retroalimentado por el sonar en función de los parámetros que proporcionan los sensores de los que se disponen.

6.2.2. CINEMÁTICA DIRECTA MOVIMIENTO HELICOIDAL Previo a la implementación del controlador, se realizaron algunas pruebas con el robot para cada uno de los movimientos que es capaz de realizar la estructura.

Inicialmente se tomó la data proporcionada por los encoders y presentadas en la Tabla 6.1 y la data obtenida de la cinemática directa implementada en el robot obteniendo los siguientes resultados presentados en las figuras siguientes.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 -1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4 ROTACION θ=0 GRADOS RETOV

Tiempo[seg]

θ

[ / ]z mm seg

89

Figura 6.5: Velocidad del encoder en rpm y rad/seg robot bajando por la tubería con un ángulo de 45 grados.


•

y θ•

del Robot bajando en 45 grados por la tubería

En las gráficas de la Figura 6.5, se observa que la velocidad en 35 RPM y 3,5 rad/seg cuando comienza a bajar alcanza un valor alrededor de los 70 RPM situación que se repite para el caso de la velocidad angular alrededor de 6,5 rad/seg tal y como se esperaba ya que a partir de cierta velocidad se inicia el movimiento de la estructura.

En la Figura 6.6 se presenta la velocidad en Z que tiene el mismo comportamiento de la velocidad angular medida en el encoder. Además se muestra la variación del ángulo que acaba por estabilizarse al igual que en el experimento anterior y en el mismo momento con un incremento de casi el doble con respecto al rotacional. Este incremento con respecto a la cinemática directa del movimiento rotacional era de esperarse ya que cuando el robot baja por la tubería la velocidad se incrementa por efecto de la gravedad y por ende la velocidad de desplazamiento θ

•

alrededor de la tubería cuando se realiza la helicoide por la tubería. Para la estructura subiendo con un ángulo de 45 grados en movimiento helicoidal (Figura 6.5 y Figura 6.6) nos permite determinar la velocidad promedio, valor

0 10 20 30 40 50 60 70 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

0 0.2

Tiempo [seg]

z [mm/seg] θ [rad/seg]

ω[indicada]

0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Tiempo [seg]

ω[rpm]

ω[rad/seg] ω[indicada]

90

que será utilizado para determinar el desplazamiento teórico de la estructura para esta misma condición presentan las gráficas de los resultados obtenidos.

En las Figura 6.7 y Figura 6.8 se presentan las gráficas de los resultados obtenidos en un movimiento helicoidal con un ángulo de 45 grados subiendo por la tubería.

Figura 6.7: Velocidad del encoder en rpm y rad/seg robot subiendo por la tubería con un ángulo de 45 grados.

Figura 6.8: Cinemática directa Z•

y θ•

del Robot subiendo en 45 grados por la tubería.

En las gráficas de la Figura 6.7, se observa que la velocidad tanto en RPM como en rad/seg se estabiliza alrededor de las 35 RPM presentándose inicialmente un período transitorio donde se observa un incremento de la velocidad y disminución de la misma. Esto se debe al deslizamiento sobre la tubería. Si se comparan los valores obtenidos con los valores del rotacional y el helicoidal bajando se ve que ésta es menor que la velocidad de los casos anteriores ya que en este caso subiendo la estructura debe vencer su propio peso.

En cuanto a los valores de Z•

y θ•

mostrados en la Figura 6.8, se observa el mismo comportamiento que con la velocidad angular incrementos hacia arriba y hacia abajo inicialmente; luego alcanza una velocidad constante alrededor de 0,75. Es importante destacar que como era de esperarse la velocidad alcanzada en la estructura

0 50 100 150 200 250 300 350 -1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

Tiempo [seg]

z [mm/seg] θ [rad/seg]

0 50 100 150 200 250 300 350 0

10

20

30

40

50

60

Tiempo [seg]

ω[rpm] ω[rad/seg] ω[indicada

ω[indicada]

91

para el caso de subida es mucho menor que en el caso de bajada situación que se refleja en el tiempo (Ver Tabla 6.1). Al igual que en el caso anterior la velocidad promedio se utilizará para los cálculos de los valores teóricos.

6.3. EXPERIMENTOS REALIZADOS CON LA CINEMÁTICA DIRECTA PARA DESARROLLO GEOMÉTRICO UTILIZANDO PARA SU REPRESENTACIÓN SCREW.

Se realizaron una serie de ensayos individuales de los movimientos básicos de la estructura aquel cuyos valores inicial y final más se repetía obteniendo de esta forma los siguientes resultados para cada uno de los movimientos que es capaz de realizar la estructura.

6.3.1. Movimiento Rotacional En la Figura 6.9 se presenta el desplazamiento y el ángulo de rotación del ensayo realizado para una vuelta completa del robot rotando en la tubería.

Figura 6.9: Gráfica del desplazamiento (Z) y ánguloθ rotando en la tubería.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 41100

1120

1140

1160Movimiento rotacional

tiempo (s)

Des

plaz

amie

nto

Z (m

m)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

100

200

300

tiempo (s)

θ (d

eg)

92

Figura 6.10: Secuencia de fotografía del movimiento rotacional en la tubería

Como se puede observar los resultados obtenidos en la Figura 6.9 para el desplazamiento en Z reflejan como la estructura sube 3.0 cm desde un valor de 1110 aproximadamente hasta un valor de 1140. En la Figura 6.10 se muestra la secuencia fotográfica para un movimiento rotacional del experimento de la Figura 6.9. En la Figura 6.11 se presenta el desplazamiento Z y la velocidad en RPM para un movimiento de rotación.

Figura 6.11: Gráfica del desplazamiento translacional (Z) y ángulo subiendo la tubería.

En la Figura 6.11 muestra las gráficas de desplazamiento y ángulo para un desplazamiento traslacional (el ángulo de rotación es φ = 0). El robot sube por la tubería y se observa cómo va recorre un desplazamiento Z=1070 mm aproximadamente hasta Z=170mm que son los valores de referencia del controlador. El ángulo como era de esperarse se aproxima a cero por ser el desplazamiento traslacional puro.

0 5 10 15 20 25 30 0

500

1000 Movimiento Traslacional

tiempo [seg]

0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300

tiempo [seg]

θ(deg)

Z [mm]

93

Figura 6.12: Gráfica de la distancia y rpm para un movimiento translacional subiendo por la tubería

Igual mente en la Figura 6.11 se presenta las gráficas del desplazamiento Z cuyo comportamiento es el mismo indicado anteriormente va desde 1200 mm hasta 210mm aproximadamente. La referencia está ubicada en 170mm aproximadamente en la parte superior de la tubería que se correspondería con la superficie del pozo petrolero. Las revoluciones por minuto cuyo valor se incrementa como se observa en las gráficas de los datos obtenidos en los ensayos graficados en Matlab®. 6.3.2. Robot Movimiento translacional bajando por la tubería

En la Figura 6.13 y 6.14 se muestran las gráficas para un movimiento traslacional del robot bajando por la tubería.

Figura 6.13. Gráfica del desplazamiento (Z) y ánguloθ bajando la tubería.

Como se muestra en la Figura 6.14, los resultados obtenidos son los esperados ya el Z=0 está ubicado en la parte superior de la tubería cuando baja por ésta se aproxima a 200 mm en Z y debido a que el desplazamiento que realiza la estructura es translacional el ángulo es prácticamente de cero en todo su recorrido.

0 1 2 3 4 5 6 0

500

1000 Movimiento Traslacional

tiempo [seg]

Z [mm]

0 1 2 3 4 5 6 7 0 100 200 300

tiempo [seg]

θ

θ(deg)

0 10 20 30 40 200

400

600

800

1000

1200

1400 Gráfica z[mm]

Tiempo[seg]

Z[mm]

0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Gráfica [rpm]

Tiempo[seg]

Rev. rueda

94

Figura 6.14: Gráfica de la distancia y rpm para un movimiento traslacional bajando por la tubería.

Figura 6.15: Secuencia de fotografía del movimiento helicoidal bajando en la tubería.

Movimiento Helicoidal en ascenso En la Figura 6.16 se presenta la estructura subiendo por la tubería con un movimiento helicoidal debido a que la lectura del sonar se mide con respecto a la parte superior de la tubería. La gráfica refleja dicho movimiento va desde 1000mm ubicados a bajo hasta aproximadamente 200mm ubicado en la parte superior de la tubería la superficie del pozo. En cuanto al ángulo θ se aprecia como da una vuelta completa a la tubería desde 0 a 360 grados, los valores obtenidos experimentalmente se corresponden con lo que ocurrió en los ensayos.

0 2 4 6 0

200

400

600

800

1000

1200 Gráfica z[mm]

Tiempo[seg]

Z[mm]

0 2 4 6 8

9

10

11

12

13

14

15

16 Gráfica [rpm]

Tiempo[seg]

Rev. rueda

95

Figura 6.16: Gráfica del desplazamiento helicoidal (Z) y ánguloθ subiendo la tubería.

Figura 6.17: Secuencia de fotografía del movimiento helicoidal subiendo por la tubería.

En la Figura 6.17 se presenta una secuencia de fotos del movimiento helicoidal subiendo por la tubería.

5 10 15 20 25 30 35 40 0

500

1000 Movimiento helicoidal

tiempo [seg]

Z [mm]

0 2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300

Tiempo[seg]

θ

θ(deg)

96

Movimiento Helicoidal en descenso

Figura 6.18: Gráfica del desplazamiento bajando (Z) y ánguloθ desplazándose alrededor de la tubería

Figura 6.19: Secuencia de fotografía del movimiento helicoidal Bajando por la tubería.

En la Figura 6.18 se muestra el desplazamiento descendente en movimiento helicoidal con φ =24 grados, hacia 110mm en una vuelta (θ desde 0 a 360 grados). Se puede observar que el desplazamiento es el esperado para una vuelta completa alrededor de la tubería. Esto es según el ángulo φ calculado para un desplazamiento de una vuelta en un metro con el planificador de trayectoria utilizado hecho en Matlab®.

0 1 2 3 4 5 6 7 0

500

1000 Movimiento helicoidal

tiempo [seg]

Z [mm]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 100 200 300

Tiempo[seg]

θ

[deg]

97

En la Figura 6.19 se presenta una secuencia fotográfica helicoidal del robot bajando por la tubería. Posicionamiento con superación de obstáculos En la mayoría de las aplicaciones de robot una de las tareas más importante es desarrollar robot que sean capaces de superar pequeños obstáculos, especialmente en este tipo de aplicaciones en las cuales las condiciones físicas son adversas. Para esta aplicación se realizaron pruebas con dos de los tres tipos de movimientos que es capaz de realizar el robot para verificar el comportamiento del mismo ante pequeños obstáculos (soldaduras, pequeños restos de petróleo, etc.). Para comprobar el funcionamiento de la amortiguación se realizaron algunos experimentos con pequeños obstáculos para los movimientos helicoidales y translacional los resultados de los ensayos se presentan a continuación. Robot Movimiento translacional subiendo por la tubería con obstáculos En la Figura 6.20 se presenta el ensayo del robot subiendo por la tubería superando un obstáculo de 2mm ubicado a una distancia aproximada de 880mm. Así mismo se presenta en la gráfica los resultados teóricos del ensayo.

Figura 6.20: Gráfica que muestra los resultados teóricos y prácticos para un movimiento translacional subiendo con superación de obstáculos.

En la Figura 6.20 se presenta la comparación de los resultados teóricos con los de la experimentación. Se observa un comportamiento similar se muestra como a los 880mm aproximadamente el robot tarda unos segundos en superar el obstáculo. Así mismo se observa que los valores teóricos y prácticos se encuentran bastante próximos al final del ensayo se presentan algunas lecturas erróneas del sonar que no afecta el desplazamiento del robot.

0 5 10 15 20 25 30 35 300 400 500 600 700 800 900

1000 1100 1200

Tiempo [seg]

Z[mm]

Ensayo Teórico

98

Robot Movimiento translacional bajando por la tubería con obstáculos

Figura 6.21: Gráfica que muestra los resultados teóricos y prácticos para un movimiento helicoidal subiendo con superación de obstáculos.

En la Figura 6.21 se presenta el ensayo del robot subiendo por la tubería superando un obstáculo de 2mm ubicado a una distancia aproximada de 880mm. En esta gráfica se presenta la comparación de los resultados teóricos con los de la experimentación.

En la Figura 6.21 se muestra como en los 880mm aproximadamente el robot tarda unos segundos en superar el obstáculo. Así mismo se observa que los valores teóricos y prácticos se encuentran bastante próximos validando el desarrollo matemático presentan algunas lecturas del sonar erradas. Robot Movimiento translacional bajando por la tubería con obstáculos

Figura 6.22: Gráfica que muestra los resultados teóricos y prácticos para un movimiento translacional

bajando con superación de obstáculos.

0 1 2 3 4 5 6 7 100 200 300 400 500 600 700 800 900

1000 1100

Tiempo [seg]

Z[mm]

Ensayo Teórico

0 5 10 15 20 25 30 35 300 400 500 600 700 800 900

1000 1100 1200

Tiempo [seg]

Z[mm]

Ensayo Teórico

99

En la Figura 6.22 se presenta la gráfica de la prueba realizada con el robot bajando con un movimiento de translación por la tubería. Aquí se muestra que éste supera el obstáculo instantáneamente resultado que refleja lo que ocurrió en el laboratorio. Y la tendencia de las curvas teóricas y prácticas son similares por lo que el error es pequeño. Robot Movimiento helicoidal subiendo por la tubería con obstáculos En la Figura 6.23 se presenta el ensayo del robot subiendo por la tubería superando un obstáculo de 2mm ubicado a una distancia aproximada de 880mm. Así mismo se presenta en la gráfica los resultados teóricos del ensayo. En la Figura 6.23 se muestra como en los 880mm aproximadamente el robot tarda unos segundos en superar el obstáculo un tiempo superior al de translación. Así mismo se observa que los valores teóricos y prácticos se encuentran bastante próximos validando el desarrollo matemático.

Figura 6.23: Gráfica que muestra los resultados teóricos y prácticos para un movimiento helicoidal subiendo

con superación de obstáculos.

Robot Movimiento helicoidal bajando por la tubería con obstáculos En la Figura 6.24 se presenta la gráfica de la prueba realizada con el robot bajando con un movimiento helicoidal por la tubería. La Figura 6.24 para un movimiento helicoidal bajando se presenta un comportamiento similar al translacional bajando donde el obstáculo es superado instantáneamente situación que se ve reflejada en los datos obtenidos experimentalmente. Para verificar la posibilidad de combinaciones de movimiento se realizaron varios ensayos consecutivos de secuencias de movimientos cuyos resultados se presentan a continuación en la Figura 6.25.

0 5 10 15 20 25 100 200 300 400 500 600 700 800 900

1000

Tiempo [seg]

Ensayo Teórico

Z[mm]

100

Figura 6.24. Gráfica que muestra los resultados teóricos y prácticos para un movimiento helicoidal bajando

con superación de obstáculos.

Se realizaron 2 grupos de 5 pruebas continuas con las siguientes configuraciones: - Rotación. - Ascenso Translacional. - Descenso Helicoidal. A continuación en la Figura 6.25 se presentan las gráficas en Matlab® con los resultados del desplazamiento en Z para cinco secuencias consecutivas de experimento observándose un comportamiento similar en estos ensayos lo que muestra la robustez de la estructura diseñada.

. Figura 6.25. Gráfica de resultados para tres tipos de movimiento rotacional, translacional ascenso, helicoidal descenso.

En la Figura 6.25 se presenta una gráfica de movimientos combinados rotacional translacional y helicoidal presentando también los valores teóricos con color negro se

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Tiempo (s)

Z(m

m)

EnsayoTeórico

0 5 10 15 20 25 30 35 40 0

500

1000 Rotacional - Translacional - Helicoidal

tiempo [seg]

Z[mm]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 0

100

200

300

tiempo [seg]

θ (deg)

101

observa que estos valores se aproximan a los valores obtenidos en las pruebas experimentales por lo que se puede concluir que el modelo matemático describe con el comportamiento de la estructura. Sería conveniente reforzar dicho modelo incorporando la dinámica de la estructura.

Figura 6.26.Esquemático del sistema de control implementado.

6.4. CONCLUSIONES Se realizaron pruebas en lazo abierto para el modelo que utiliza la teoría de robot móviles, con dicho modelo se pudo determinar la velocidad promedio para cada uno de los movimientos de los experimentos a realizar. Se realizaron ensayos para cada uno de los movimientos que es capaz de realizar la estructura utilizando un control de posición de lazo cerrado. Resultando que el comportamiento para todos los movimientos se ajustaban al comportamiento esperado. Se probó para los desplazamientos helicoidales y translacional la colocación de obstáculos resultando que el sistema de amortiguación propuesto puede superar pequeños obstáculos de 2mm. Pudiendo mejorar esta característica y superar obstáculos más grandes si se cambian los muelles por unos muelles más cortos y rígidos. Se pudo comprobar que el modelo matemático planteado describe el comportamiento de la estructura. Los valores teóricos y prácticos presentan la misma tendencia por lo que el error es pequeño. Para esta aplicación se colocó un solo sensor ya que la distancia a recorrer en el laboratorio es pequeña, pero en el real deberán colocarse dos sensores delante y detrás del robot para detectar la proximidad de la estructura a la posición deseada. Ya que el control utilizado es un control de posición. Se determinó con un planificador de trayectoria realizado en Matlab® para el movimiento helicoidal que ángulo debe tener el servo para dar un número determinado de vueltas para una distancia determinada. Para los ensayos realizados de una vuelta en un metro el ángulo del servo debía ser de 24 grados. Se determinó que para este tipo de aplicación el control de posición es adecuado.

102

Se puede mejorar la estructura colocando otros sensores que le permitan evadir obstáculos, lo que le daría más autonomía a la aplicación.

103

7CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS Este capítulo tiene como objeto establecer las conclusiones y comentarios finales de la presente Tesis Doctoral.

Los trabajos futuros que se proponen y complementan el proyecto de investigación

7.1. Conclusiones

En el Capítulo 1, se realizó un estudio sobre el estado del arte de diferentes robot de inspección de tuberías así como también de los sistemas de extracción utilizados en el ámbito petrolero para poder abordar el problema planteado. En el Capítulo 2, se realizó un estudio de requerimientos en el que se determinan las características de diseño más importantes a tener presente en el robot. En el Capítulo 3 se describen las características del diseño mecánico y se realiza un estudio de los materiales con los que se pueden construir el robot para que la aplicación planteada pudiese utilizarse en otras aplicaciones de inspección de tuberías. En el Capítulo 4 se describen el hardware y software realizados para la aplicación y su implementación en la estructura. En el Capítulo 5, se propone el modelo cinemático del mismo considerando los parámetros físicos de los motores y ruedas. Se propone además un control en posición donde el error de posición es calculado a través de la medición de la posición real de un sensor sonar éste fue implementado en LABVIEW®. Se desarrolla un algoritmo de control para resolver los problemas de movimiento de un robot tales como: control de posición, seguimiento de una trayectoria rotacional longitudinal y helicoidal en la tubería. El robot se desplazó de acuerdo a los resultados obtenidos en la cinemática. El comportamiento en descenso se ajustó a la trayectoria planteada en la cinemática en el caso de movimiento ascendente fue necesario realizar correcciones de 5 grados del ángulo del servo motor para lograr alcanzar la trayectoria propuesta en la cinemática para el movimiento helicoidal. El control de posición basado en la cinemática del robot presenta un mayor error cuando el robot va en ascenso, debido a que éste se encuentra sujeto a parámetros dinámicos que ocasionan un mayor tiempo en alcanzar la posición deseada debido: gravedad, el deslizamiento y otros factores dinámicos. Capitulo 6, se realizaron experimentos con la estructura diseñada de los cuales se pueden extraer los siguientes resultados:

104

• Se implementó para el control del robot móvil la metodología utilizada para robot móvil en simulación y se hicieron ensayos en lazo abierto para determinar la velocidad alcanzada por el robot para algunos movimientos (helicoidal y rotacional) que fueron utilizados para los cálculos teóricos.

• La rotación pura y la roto-traslación o movimiento helicoidal favorecen la

fricción de las ruedas y disminuye el deslizamiento.

• El sistema de suspensión diseñado permite superar pequeños obstáculos éste se puede mejorar cambiando los muelles por unos más cortos y duros

• El movimiento helicoidal permite superar mejor los obstáculos.

• El movimiento en trayectoria longitudinal a lo largo de la tubería es más

exigente desde el punto de vista de fricción se puede decir que éste es un punto a mejorar incorporando puntos de apoyo a la estructura cuando su desplazamiento es longitudinal.

• Se propuso un algoritmo de control basado en el modelo cinemático cuyo

objetivo es llevar las variables de error a cero, es decir, la distancia entre la posición final y deseada que tienda a cero. Esta tesis propone un control de posición

El método de posicionamiento presentado constituye una eficaz alternativa para resolver el problema planteado. La incorporación del sonar permitió retroalimentar el sistema para establecer el control adecuado del mismo. Para desarrollar un posicionamiento adecuado del robot diseñado se deberá aplicar el estudio del modelo dinámico que permite conocer el papel primordial que juegan los parámetros dinámicos, fricción, gravedad, deslizamiento, etc. La modelización del movimiento del robot pasa por técnicas de identificación de sistemas, utilizando técnicas de análisis dinámicos existentes para conocer su comportamiento. La estructura fue diseñada para minimizar los componentes electrónicos que van sobre ésta, por ello la controladora de los motores y la energía se colocaron próximas al operador en la superficie. De esta forma se asegura que no estará afectada por las condiciones del pozo. En la estructura solo se incorpora los motores y los sensores internos y externos del robot. Esto brinda confiabilidad al sistema. El sistema de frenos diseñado permite posicionar al robot en cualquier punto deseado donde se requiera realizar la inspección de la tubería. Dicho sistema no requiere de energía ya que se realiza con el direccionamiento de las ruedas. Este sistema está asociado también al botón a prueba de fallos lo que le da confiabilidad al sistema en el caso de falla del robot. La interfaz gráfica permite el control de la estructura con los movimientos básicos y combinados, proporciona la visión del pozo. Así como las lecturas de los sensores internos y externos del robot. La cámara implementada es de bajo costo ésta deberá cambiarse para adecuarse a las condiciones del ambiente donde se vaya a

105

incorporar. (Visión Nocturna, sistema de iluminación con infrarrojo, temperatura, humedad, etc.)

7.2. Trabajos futuros

A continuación se listan los trabajos que se proponen para ser realizados en el futuro: Se propone para trabajos futuros sustituir el sonar por un sensor adecuado a las condiciones del medio utilizando la misma estructura de control propuesta. Se propone sustituir la cámara por una cámara de visión nocturna o un sistema de infrarrojos. Mejorar el diseño de la estructura de anillo abierto para poder evadir obstáculos laterales para lo cual se deberá diseñar el sistema de control que le permita evadir los mismos. Diseño y validación del modelo dinámico respecto al robot diseñado. Y realizar el controlador utilizando el modelo dinámico. Optimizar el sistema de comunicación diseñado, incorporar fibra óptica o evaluar la posibilidad de uso de un sistema inalámbrico. Implementar sistemas de control más avanzados con el fin de que el robot se desplace y evite obstáculos.

Se debe tener presente que los valores dinámicos pueden variar de un robot a otro, debido al tamaño, el peso, las características de sus motores, las condiciones de carga, etc. y adecuar estos a la aplicación que se desee. Diseñar un sistema de brazos que le permita manipular los objetos que caen al pozo.

106

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110

Anexos

111

A.1 ANEXO: Revisión de Patentes A continuación se presentan algunos dispositivos que realizan mantenimiento y/o inspección en diferentes aplicaciones y su comparación con la estructura propuesta. Esta información procede de la búsqueda retrospectiva obtenida de bases de datos nacionales e internacionales que los autores han solicitado a la oficina de patentes del Ministerio de Industria. Dispositivo Mecánico trepador aplicable a tareas de limpieza, mantenimiento, pintura o reparación de cuerpos metálicos de grandes dimensiones Nº. de publicación Nacional 2346617. Dicho dispositivo incorpora una estructura de aluminio auto-portante de cuerpo paralelepípedo, elaborado en materiales ligeros y cuatro patas paralelas dos a dos que, por efectos de tracción magnéticas o electromagnéticas o de succión neumática se adhiere a las torres eólicas, barcos, edificios o similares. Sin embargo por sus dimensiones y características no podría ser utilizado para inspección y/o mantenimiento en tuberías concéntricas o no concéntricas. Vehículo de Inspección de Canalizaciones. Nº. de publicación Europea 0523880. Es-te vehículo de inspección de canalizaciones que utiliza un electroimán para generar el flujo magnético que recorre la canalización. Posee un conjunto de detectores de efecto de cuerpo que le permite la inspección de la canalización. Como en el caso anterior sus dimensiones no le permiten pasar entre dos tuberías concéntricas o no. Robot para limpieza de conductos Nº de publicación Solicitud Nacional 1067065 esta se corresponde con un robot que comprende un carrito desplazable por el interior del conducto de aire acondicionado provisto de medios propulsores y de dirección utilizado para la limpieza de las caras internas de la tubería. Dispositivo de Control no destructivo de productos largos metálicos de revolución y proceso para su aplicación. N° de la publicación solicitud Europea 0533595 se refiere a un dispositivo y el proceso para su aplicación para el control no destructivo de productos metálicos largos posee cámara y los dispositivos electrónicos asociados a la visualización y control. Método y aparato para escanear corrosión y defectos superficiales N° de la publicación de la solicitud PCT (internacional) W02004074808. Este consiste en un sistema de escaneo de la corrosión para determinar y distinguir la corrosión en un área de la superficie de un objeto determinado para su análisis. Dicho instrumento de medición ultrasónico es capaz de trasmitir y recibir señales acústicas desde un área de la superficie con el objeto de determinar la condición de la misma. Posee un brazo de alineación cuya función es alinear y remover el instrumento. Adicionalmente dispone de una computadora que permite recibir y procesar la información sobre las condiciones de la superficie que se analiza. A pesar de que el instrumento puede determinar la corrosión de áreas de escaneo sus dimensiones y características no le permiten el desplazamiento entre dos tuberías.

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Aparato para detectar fugas en un conducto que transporta fluido en movimiento bajo presión Nº de la publicación nacional 040054. Robot tele operado para limpieza de conductos de aire acondicionado N° de la publicación de la solicitud nacional 2237326. Consiste en un robot tele operado para la limpieza de conductos de aire acondicionado. Posee un modulo de aspiración accionado por un motor. Incorpora un sistema de tracción diferencial con propulsión independiente de unas ruedas traseras y un eje delantero vertical en el que se montan unas ruedas di-rectrices accionado por un servomotor que determina el movimiento del eje vertical y la rotación de las ruedas directrices en coordinación con el movimiento de las ruedas tras-eras sin deslizamiento, evitando así causar daños en las paredes de los conductos. Este carrito no permite por sus dimensiones desplazarse entre dos tuberías concéntricas o no. Manipulador del interior de un tubo para revisar o tratar la superficie interior Nº de publicación de la solicitud PCT WO9714903. Este manipulador interior de tubo para comprobar y procesar la superficie interior de un tubo. Se dispone de forma desplazable un brazo basculante multielemento, en un chasis desplazable por el interior del tubo y en la dirección del eje longitudinal del chasis, que soporta por su extremo libre un soporte del sistema, para un sistema de pruebas o un dispositivo de trabajo y puede introducirse al menos parcialmente en una cámara interior del chasis. Este manipulador se desplaza dentro de la tubería a diferencia del robot que se propone en nuestra invención. Hidrolimpieza de la superficie exterior de una tubería para extraer recubrimientos. Nº de publicación de la solicitud europea 0343878 este se corresponde con un aparato para hidrolimpiar la superficie exterior de una tubería o similar que incluye un bastidor adaptado para rodear una parte de la tubería y definir un paso longitudinal a través del cual, cuando está en funcionamiento, se extiende la tubería. Una pluralidad de boquillas para chorro de líquido están montadas en el bastidor, separadas en forma que rodeen la tubería separadas de la misma, estando cada boquilla separada de la superficie exterior de la tubería. Hay un elemento para suministrar líquido a alta presión a las boquillas que hace que el bastidor estén adaptados a desplazarse en relación a la superficie de la tubería cuando están funcionando de forma que los chorros de líquido de las boquillas inciden sobre la superficie de la tubería a lo largo. Este aparato para limpiar tuberías se des-plaza por el interior de las mismas y no se corresponde con la aplicación planteada ya que por sus dimensiones y características no permite un deslizamiento entre dos tuberías. Limpiador por chorro de alta presión y aplicador de revestimiento Nº publicación de la solicitud europea 0578343 este presenta un aparato de tratamiento de conductos que comprende un marco principal y un par de alas montada con rotación en el marco principal para envolver el marco a tratar. Cada ala monta al menos en una tobera. Un único motor impulsa un par de soportes. La aplicación de este aparato no es la misma de la invención propuesta ya que la nuestra abraza la tubería para con un sistema de sensores lograr la inspección de la misma. Sistema de inspección técnica para canalización de aire acondicionado y similares Nº de publicación de la solicitud nacional 2206023 esta propone un sistema de inspección técnica para canalizaciones de aire acondicionado y similares. El sistema comprende de un maletín que determina un puesto de mando para un equipo de

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visualización formado por un robot que se aloja en el interior del cuerpo del maletín para su transporte. El robot cuenta con elementos de rodadura para su desplazamiento se conduce en el interior de la canalización o conducto a inspeccionar, previa conexión a una toma el robot posee reducidas dimensiones que le permite introducirse dentro de la canalización es controla-do mediante un mando el robot puede ser visualizado por una cámara mostrándose las imágenes captadas en la pantalla del monitor. A pesar de sus pequeñas dimensiones esta aplicación no fue pensada para el desplazamiento vertical ni por el exterior de las tuberías. Dispositivo automático con control a distancia perfeccionando, aplicable para la limpieza y desinfección de interiores de conductos de ventilación y aire acondicionado Nº de publicación nacional 1047808. Este dispositivo automático con control a distancia perfeccionado, aplicable para la limpieza y desinfección de interiores de conductos de ventilación y aire acondicionado se corresponde con un mini robot de inspección accionado a distancia o por cable desde un cuadro de control este posee una cámara para la visualización de la instalación a limpiar, un mini robot de cepillado para arrancar la suciedad y un mini robot de inspección de medios para emitir al interior de la canalización de producto germicida y complementaria o sustituida por un tratamiento de rayos ultra-violeta, caracterizado por un micro robot de aspiración. Provisto de medios de sustentación, de un elemento de aspiración conectado a una manguera, que esta complementado con al menos dos mini robots, aplicables como elementos tractores de la manguera. El objetivo final de este dispositivo es la limpieza del interior del conducto. A pesar de que las dimensiones del robot son pequeñas estas no se corresponden con la aplicación ya que no permite conducirse entre dos tuberías de forma vertical y no presentan la misma aplicación de la que esta propuesta en nuestra invención. Dispositivo de inspección y limpieza de conductos de aire acondicionado Nº de publicación de solicitud nacional 1060196 Este dispositivo de inspección, visualización y limpieza de conductos de aire acondicionado, que estando previsto para poder realizar una inspección, visualización y limpieza interna de conductos correspondientes a instalaciones de climatización y similares, se caracteriza porque comprende un robot de pequeñas dimensiones, con una pareja de módulos de video y grabación y visualización de imágenes, así como un modulo de limpieza y un maletín para el almacenamiento y transporte propio del robot; en este maletín se prevé la incorporación de una pantalla para visualizar las imágenes grabadas en el modulo de video del robot. El robot cuenta con ruedas para su desplazamiento por el interior del conducto así como medios inspeccionar y limpiar, así como medios de iluminación y de conexión para su comunicación con el maletín, incorporando este conexiones para tomas de alimentación eléctrica, para el respectivo cable de conexionado del robot y la salida de señal de video. Posee dos módulos de video uno en la parte anterior y otro en la parte posterior con sus respectivos sistemas de iluminación. En su parte posterior tiene una conexión neumática para la manguera y equipo de aspiración y extracción de residuos situados en el interior de los conductos a inspeccionar, también es capaz de realizar una pulverización mediante aire a presión suministrado por un compresor. Posee un mando de direccionamiento, un sistema de botones que le permite inicializar su funcionamiento, inicializar la pulverización, inicializar cada uno de los sistemas de video. Esta aplicación no se corresponde con la nuestra ya que es diseñada para desplazarse en el interior de tuberías lo que no se corresponde con nuestra aplicación.

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A.2 ANEXO: ESTADO DEL ARTE DE LOS MÉTODOS DE EXTRACCIÓN PETROLERA

En sus inicios la extracción de crudo se limitaba a la perforación de pozos y a la canalización del crudo que fluía en forma natural hacia la superficie. Este tipo de pozos se denominaba pozos de flujo natural.

La extracción de petróleo crudo normalmente se efectuaba utilizando la presión misma del yacimiento, la cual hace que el petróleo emerja a la superficie por el pozo perforado.

La fuerza de empuje viene de la energía natural de los fluidos comprimidos almacenados en el yacimiento.

La energía que hace que el pozo produzca, es el resultado de una reducción en la

presión entre el yacimiento y la cavidad del pozo. Si la diferencia de presión entre el yacimiento y las instalaciones de producción de la superficie es lo suficientemente grande, el pozo fluirá naturalmente a la superficie utilizando solamente la energía natural suministrada por el mismo yacimiento.

Cuando la energía natural asociada con el petróleo no produce una presión

diferencial lo suficientemente grande entre el yacimiento y la cavidad del pozo, como para levantar los fluidos del yacimiento hasta la superficie y hacia sus instalaciones, o como para conducirlos con un volumen suficiente, es entonces cuando la energía del yacimiento debe ser incrementada por alguna forma de explotación artificial.

Con el pasar de los años la presión interna de los yacimientos decrece, haciéndose necesaria la extracción forzada del crudo. En dicho momento hicieron su aparición los balancines que con el pasar de los años se convirtieron en el icono de las empresas petroleras. (Ver Figura A1.1).

Figura 1.a: Extracción con Balancín.

Sin embargo este método de producción, es costoso, requiere de grandes instalaciones, complejos equipos y crea una dependencia entre todos los pozos.

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La forma de explotación artificial de uso más generalizado es el bombeo neumático. Esta técnica está basada en la inyección de gas o agua a presión en los pozos, para lograr impulsar el petróleo hasta la superficie. Este proceso tiene el inconveniente de que cuando la extracción se ha utilizado durante mucho tiempo, o cuando la presión natural del crudo es demasiado baja, y adicionalmente la relación agua/petróleo o gas/petróleo se ha incrementado (en otras palabras mucho gas inyectado, poco petróleo extraído), es entonces cuando el pozo se considera como “no-factible para producción”.

Actualmente, considerando la problemática que implica que el pozo ya no sea

factible de explotar, se han desarrollado nuevas técnicas de bombeo, las cuales están basadas en la utilización de bombas electro sumergibles accionadas por medio de motores de fondo, de velocidad variable. Esta opción de bombeo es de especial importancia por las ventajas que brinda para manejar la extracción de crudo.

La importancia del bombeo electro sumergible o de cavidad progresiva radica

básicamente en el hecho de ser considerado como un medio económico y efectivo, para levantar grandes cantidades de fluido desde grandes profundidades y en diversas condiciones del pozo.

La principal ventaja del bombeo, es que los pozos que fueron en alguna ocasión

considerados como no-factibles para su explotación, con este sistema vuelvan a producir de manera exitosa y a un bajo costo. Otra de sus ventajas, es la factibilidad para variar las condiciones de operación de la bomba, para tener flexibilidad en la producción. Esto es debido a que la cantidad de crudo extraído es controlada por la velocidad de la bomba.

En general (Tufiño 2004), un sistema de bombeo, puede instalarse en un pozo

localizado en tierra o en una plataforma marítima. Los principales componentes de un sistema de Bombas electro sumergibles es que pueden ser clasificados como equipo superficial y equipo de fondo, esto depende de su localización física. En (Vargas Hernández y Pimentel Martínez 2002):

a) Los equipos superficiales son los que se encuentran localizados en la superficie, ya sea en tierra o en una plataforma marítima. Entre estos equipos se encuentran principalmente los transformadores eléctricos, el variador de velocidad, interruptores, válvulas de retención y drenaje.

b) Los equipos de fondo son aquellos que se encuentran localizados en la cavidad

del pozo, como puede ser la motobomba, el cable de alimentación o de fondo, el separador de gas rotativo y las partes que constituyen la tubería de extracción.

En los casos de sumergencia natural el fluido asciende por la tubería sin ayudas externas por efecto de la presión del yacimiento. Cuando la presión del yacimiento no es suficiente se requiere de otros métodos, algunos de los cuales se describen a continuación: a) Bombeo con accionar mecánico. La bomba se baja dentro de la tubería de producción y se asienta en el fondo con un elemento especial. La bomba es accionada por medio de varillas de aproximadamente 7,62 m de longitud cada una que le

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transmiten el movimiento desde el "aparato de bombeo" que consta de un balancín al cual se le transmite el movimiento de vaivén por medio de la biela y la manivela, las que se accionan a través de una caja reductora movida por un motor. La bomba consiste en un tubo de 2 a 7,32 m de largo con un diámetro interno de

11 2 a 33 4 pulgadas, dentro del cual se mueve un pistón cuyo extremo superior está

unido a las varilla de bombeo. Este mecanismo se aloja dentro o se enrosca en el extremo de la tubería. El 80% de los pozos de extracción artificial. Su limitación radica en la profundidad que pueden tener los pozos, y su desviación en el caso de pozos dirigidos. b) Bombeo con accionar hidráulico. Una variante también muy utilizada consiste en bombas accionadas en forma hidráulica por un líquido, generalmente petróleo, que se conoce como fluido motriz. Las bombas se bajan dentro de la tubería y se accionan desde una estación satélite. Este cuando la energía natural es insuficiente, se recurre a métodos de extracción artificial. c) Extracción con gas o Gas Lift - surgencia artificial. Consiste en inyectar gas a presión en la tubería para alivianar la columna de petróleo y hacerlo llegar a la superficie. La inyección del gas se hace en varios sitios de la tubería a través de válvulas reguladas que abren y cierran el gas automáticamente. d) Pistón accionado a gas (plunger lift). Es un pistón viajero que es empujado por gas propio del pozo y trae a la superficie el petróleo que se acumula entre viaje y viaje del pistón. e) Bomba centrífuga y motor eléctrico sumergible. Es una bomba de varias paletas montadas axialmente en un eje vertical unido a un motor eléctrico. El conjunto se baja en el pozo con una tubería especial que lleva un cable adosado, para transmitir la energía eléctrica al motor. Permite bombear grandes volúmenes de fluidos. f) Bomba de cavidad progresiva. El fluido del pozo es elevado por la acción de un elemento rotativo de geometría helicoidal (rotor) dentro de un alojamiento semiélastico de igual geometría (estator) que permanece estático. El efecto resultante de la rotación del rotor es el desplazamiento hacia arriba de los fluidos que llenan las cavidades.

1.2.1. BOMBAS DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP) RESEÑA HISTÓRICA A fines de la década de 1920, Rene Moineau desarrolló el concepto para una serie de bombas helicoidales. Una de ellas tomó el nombre de Bombeo por Cavidades Progresivas (BCP) con el cual hoy es conocido. En 1979, algunos operadores de Canadá, donde existían yacimientos con petróleos viscosos y con alto contenido de arena, comenzaron a experimentar con

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Bombas de Cavidades Progresivas. Muy pronto, las fábricas comenzaron con importantes avances en términos de capacidad, presión de trabajo y tipos de elastómeros. En los últimos años las BCP han experimentado un incremento gradual como un método de extracción artificial común. Sin embargo el bombeo de cavidades progresivas está recién en la infancia si las comparamos con los otros métodos de extracción artificial como las bombas electro sumergible o el bombeo mecánico. Hoy en día el bombeo por cavidades progresivas es destacado como sistemas de levantamiento artificial, en recuperación de petróleos pesados. El uso de estas bombas se extendió a diferentes países como; Venezuela (tiene el depósito más grande de petróleos pesados y extra-pesados), Argentina, California, Canadá.

Figura 1.b2. Bombas: a la izquierda la BCP a la derecha la BES.

Las bombas de cavidad progresivas están compuestas por un eje de forma helicoidal que gira dentro de un estator de goma con cavidades que empujan el crudo a medida que el eje gira a través de ellas. (Ver Figura A1.2 izquierda).

El Bombeo por Cavidad Progresiva proporciona un método de levantamiento artificial que se puede utilizar en la producción de fluidos muy viscosos y posee pocas partes móviles por lo que su mantenimiento es relativamente sencillo. Un sistema BCP consta básicamente de un cabezal de accionamiento en superficie y una bomba de fondo compuesta de un rotor de acero, en forma helicoidal de paso simple y sección circular, que gira dentro de un estator de elastómero vulcanizado. La operación de la bomba es sencilla; a medida que el rotor gira excéntricamente dentro del estator, se van formando cavidades selladas entre las superficies de ambos, para mover el fluido desde la succión de la bomba hasta su descarga. El estator va en el fondo del pozo enroscado a la tubería de producción con un empaque no sellante en su parte superior. El diámetro de este empaque debe ser lo suficientemente grande como para permitir el paso de fluidos a la descarga de la bomba sin presentar restricción de ningún tipo, y lo suficientemente pequeño como para no permitir el paso libre de los acoples de la extensión del rotor. El rotor va roscado en las varillas por medio del niple espaciador o intermedio, las varillas son las que proporcionan el movimiento desde la superficie hasta la cabeza del rotor. La geometría del conjunto es tal, que forma una serie de cavidades idénticas y

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separadas entre sí. Cuando el rotor gira en el interior del estator estas cavidades se desplazan axialmente desde el fondo del estator hasta la descarga generando de esta manera el bombeo por cavidades progresivas. Debido a que las cavidades están hidráulicamente selladas entre sí, el tipo de bombeo es de desplazamiento positivo. La instalación de superficie está compuesta por un cabezal de rotación, que está conformado, por el sistema de trasmisión y el sistema de frenado. Estos sistemas proporcionan la potencia necesaria para poner en funcionamiento a la bomba de cavidades progresivas. Otro elemento importante en este tipo de instalaciones es el sistema de anclaje, que debe impedir el movimiento rotativo del equipo ya que, de lo contrario, no existirá acción de bombeo. En vista de esto, debe conocerse la torsión máxima que puede soportar este mecanismo a fin de evitar daños innecesarios y mala operación del sistema. El niple de asentamiento o zapato, en el que va instalado y asegurado al sistema de anclaje, se conecta a la tubería de producción permanentemente con lo cual es posible asentar y desasentar la bomba tantas veces como sea necesario. La bomba de cavidad progresiva (Ver Figura A-1.2 izquierda) es impulsada desde la superficie a través de una serie de cabillas, que roscadas unas a otras conforman un eje que transmite la potencia desde el motor ubicado en la superficie hasta la bomba ubicada en el fondo del yacimiento. Adicionalmente posee un dispositivo separador de gas ubicado a la entrada de la bomba que introduciendo fuerza centrifuga, separa el gas asociado al crudo, maximizando la producción y evitando que la bomba trabaje sin lubricación. Puede ser instalada hasta profundidades de 8000 pies, manejando flujos cercanos a los 4000 barriles por día, dependiendo de su configuración, diámetro, y velocidad de giro. Su producción aumenta exponencialmente a medida que aumentan las revoluciones.

PROBLEMAS CON LOS EQUIPOS BCP.

Los principales problemas de una bomba de Cavidad Progresiva, el efecto causado y las variables a medir con el robot propuesto se presentan en la Tabla 1.1. (Urdaneta, García, y otros 2012) Tabla 1.1. Variables a tener presente para las Bombas de Cavidad Progresiva y el efecto causado. PROBLEMAS OPERACIONALES

EFECTO CAUSADO VARIABLE A MEDIR

Nivel de crudo Achique del pozo, trabajo de la bomba en vacio. (alta temperatura)

Temperatura

Entorcha miento de cabillas

Posible desconexión de cabillas, desgastes al pegar con la tubería.

Vibración

Bajo flujo Daño de la bomba por alta temperatura (se calienta el elastómero)

Temperatura

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Atascamiento Rotura de barras roscadas por sobre- torque oscilaciones (stick-slip).

Vibración

Mal espaciamiento Daño de la bomba al chocar el rotor con el niple de paro o perdida de eficiencia al dejar muchas etapas del rotor fuera del estator

Profundidad

Sobre velocidad Deslizamiento de la bomba, cero producción (alta temperatura).

Temperatura

Daño en la tubería Recirculación entre la tubería y el pozo, perdida de la producción, daño de la bomba por alta temperatura.

Fisuras en la Tubería

Tipo de crudo y minerales

Ataque del elastómero por ácidos, aceites o desgaste por abrasión con la arena o sólidos.

Toma de muestra

Baja velocidad El crudo no llega a superficie, (escurrimiento). Pérdida de producción, daño de la bomba por alta temperatura.

Condiciones de la tubería.

1.2.2. BOMBAS ELECTROSUMERGIBLES (BES) RESEÑA HISTÓRICA El bombeo electro sumergible es un método que se comenzó a utilizar en Venezuela en 1958, con el pozo silvestre 14. Se considera un método de levantamiento artificial que utiliza una bomba centrífuga ubicada en el subsuelo para levantar los fluidos aportados por el yacimiento desde el fondo del pozo hasta la estación de flujo. La técnica para diseñar las instalaciones de bombeo electro sumergible consiste en: seleccionar una bomba que cumpla los requerimientos de la producción deseada, de asegurar el incremento de presión para levantar los fluidos, desde el pozo hasta la estación, y escoger un motor capaz de mantener la capacidad de levantamiento y la eficiencia del bombeo. Este es un método de levantamiento artificial altamente eficiente para la producción de crudos livianos y medianos; sin embargo, es uno de los métodos de extracción de crudo que exige mayor requerimiento de supervisión, análisis y control, a fin de garantizar el adecuado comportamiento del sistema. Éste ha probado ser un sistema artificial de producción eficiente y económico. En la actualidad ha cobrado mayor importancia debido a la variedad de casos industriales en los que es ampliamente aceptado. En la industria petrolera, comparativamente con otros sistemas artificiales de producción tiene ventajas y desventajas, debido a que por diversas razones no siempre puede resultar el mejor. Tiene como principio fundamental levantar el fluido del reservorio hasta la superficie, mediante la rotación centrífuga de la bomba electro sumergible. La potencia requerida por dicha bomba es suministrada por un motor eléctrico que se encuentra ubicado en el fondo del pozo; la corriente eléctrica, necesaria para el

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funcionamiento de dicho motor, es suministrada desde la superficie, y conducida a través del cable de potencia hasta el motor. El Sistema BES ver Figura A-1.2 derecha representa uno de los métodos más automatizables y fácil de mejorar, y está constituido por equipos complejos y de alto costo, por lo que se requiere, para el buen funcionamiento de los mismos, de la aplicación de herramientas efectivas para su supervisión, análisis y control. PROBLEMAS CON LOS EQUIPOS BES Para operar un equipo BES maximizando la producción y la expectativa de vida de los equipos, se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos según la Tabla 1.2. (Urdaneta, García, y otros 2012)

Tabla 1.2. Variables a tener presente para las Bombas Electro sumergible y el efecto causado

PROBLEMAS OPERACIONALES

EFECTO CAUSADO Variable a medir

Nivel de crudo Achique del pozo, trabajo de la bomba en vacío. (daño por alta temperatura)

Temperatura, nivel

Daño en el cable de alimentación

Paro del motor, perdida de producción (Medición de continuidad del conductor).

Bajo flujo Daño de la bomba por alta temperatura Temperatura, presión Atascamiento Daño del motor por sobre torque, sobre

temperatura Temperatura

Arranques sucesivos Daño del motor por sobre temperatura. Temperatura,

Sobre velocidad Deslizamiento de la bomba, cero producción, daño de la bomba por alta temperatura. (efecto licuadora)

Temperatura vibración

Daño en la tubería Recirculación entre la tubería y el pozo, perdida de la producción, daño de la bomba por alta temperatura.

Fisuras en la tubería

Tipo de crudo y minerales

Desgaste por abrasión con la arena o sólidos. Muestra de crudo

Un robot diseñado específicamente para estas aplicaciones, podrá suplir y superar todas las herramientas descritas anteriormente. Al poder ejecutar las siguientes funciones:

• Medición exacta de la temperatura y presión. • Determinación de la geometría de la tubería de producción. • Determinación exacta del nivel de crudo y la ubicación de los equipos. • Ubicación exacta de roturas en la tubería y determinación de la geometría de la

misma. • Extracción de herramientas con ayuda de sensores. • Toma de muestras de crudo. • En los pozos petroleros se pueden encontrar dos tipos de bombas (Figura A 1.2).

Las bombas electro sumergibles y las de cavidad progresiva (de ahora en adelante BES y BCP, respectivamente).

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Las BES son, quizás, las más utilizadas debido a la capacidad de volumen de fluido que maneja, la alta fiabilidad de sus componentes. Facilitan la independencia de la producción ya que cada pozo posee su propio equipo. Las BCP (Figura A-1.2 izquierda) ubicada a profundidades de 8000 pies, manejando flujos cercanos a los 4000 barriles por día, dependiendo de su configuración, diámetro, y velocidad de giro. Las BES trabajan a profundidades de 12.000 pies, producción que puede alcanzar los 12mil barriles diarios dependiendo del pozo (Figura A-1.2 derecha).

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B.1 ANEXO: Herramientas para IR Herramientas Extracción Análisis Especificación Validación Entrevistas y cuestionarios X Sistemas existentes X X Grabadora de video de audio X X Brainstorming(tormenta de ideas)

X X

Arqueología de documentos X X Aprendiz X Observación X Run Use Case WorkShop X Prototipo bosquejado X X X Prototipo tangible Usable X X X FODA X Cadena de Valor X Modelo de clase conceptual X X Diagrama de pescado X X X Glosario X X X X DCO X X Diagrama de actividad X X ESRE X X X X Casos de Uso X X X X Casa de Calidad o QDF X Checklist X X Fuente: (Dávila 2001)

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B.2 ANEXO: Estudio con Matriz QDF RESULTADOS DE LAS ENCUESTAS A LOS EXPERTOS Para validar el diseño del robot se realizó una encuesta a diez expertos en el área. Dicha encuesta era anónima con preguntas cerradas elaboradas con objeto de incorporar nueva información de cara al diseño como así también de validar las hipótesis previas. (Urdaneta, García, y otros 2012) La primera parte del cuestionario son preguntas que tratan de definir la pericia y el tiempo de experiencia de la persona con este tipo de bombas. Preguntas como nombre de la empresa, cargo que ocupa tiempo en el cargo y si conoce sobre el sistema de Bombas Electro Sumergibles y de Cavidad Progresiva. Debido a que la encuesta fue diseñada en dos partes solo podían tener acceso a esta las personas que conocieran este tipo de sistemas. La primera pregunta relacionada con las variables a estudiar. A continuación se presentan los resultados para cada una de las preguntas del cuestionario. En esta sección se presentan los resultados obtenidos a través de las encuestas realizadas a expertos del sector del petróleo Aspectos técnicos del entorno. En las encuestas realizadas, el 100% de los expertos consultados coinciden en que es de extrema importancia la medición de variables en el pozo (Figura B-2.1).

Figura B-2.1: Importancia de la medición de las variables en pozos con Sistemas BES y BCP.

En la Figura B-2.2 refleja la opinión de los expertos en cuanto a los diámetros del pozo que permitirá determinar el espacio disponible por el cual puede pasar el robot entre la tubería de producción y el pozo. En la Figura B-2.3 los expertos reflejan los diámetros de tubería con los que operan en sus respectivas compañías. Claramente se puede observar que entre los más utilizados está en de 15 2 pulgadas (139 mm) de

diámetro, consecuentemente se seleccionará éste para los ensayos con el robot en el laboratorio.

0 2 4 6 8

10 12

Muy importante

Importante Poco importante

No es mportante

Indiferente

No de expertos entrevistados

124

Figura B-2.2: Diámetro de los Pozos Tipos.

Figura B-2.3: Diámetros de la tubería de producción.

A la pregunta de dónde debería estar situado el sistema de medición, la respuesta con mayor número de expertos a favor se puede observar en la Figura B-2.4 como consecuencia se debería diseñar un sistema móvil, esto es que se pueda introducir y sacar del pozo con facilidad, permite determinar la necesidad de un dispositivo con el que se puedan realizar mediciones en el pozo.

Figura B-2.4: Ubicación del Sistema de Medición.

En la Figura B-2.5 se muestra la opinión de los expertos sobre cuáles deben ser las variables en pozo a medir por el robot. De mayor a menor importancia, estas variables son: temperatura, nivel de crudo, viscosidad y presión (requisito funcional).

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

4 ¨ 5 ¨ 6 ¨ 51/2 ¨ 7 ¨ 71/2¨ 9 5/8 ¨ indique otro


0 1 2 3 4 5 6 7

2 7/8 ¨ 31/2 ¨ 41/2 ¨ 5 1/2 ¨ 71/2 ¨ no sabe/No contesta


0 1 2 3 4 5 6 7

Fijo en el Pozo Qué se pueda introducir y sacar a

voluntad

no sabe / no contesta otro (especifique)

cantidad No expertos entrevistados

125

Esta pregunta busca definir cómo debe ser el robot, y que sensores debe incorporar el mismo en una primera instancia.

Figura B-2.5: Ponderación del Sistema de Medición.

Es de especial interés conocer las posibles temperaturas máximas que se pueden registrar dentro del pozo, puesto que habrá que prever el aislamiento térmico de todos los componentes hardware del robot. Los expertos expresaron que la temperatura máxima que puede esperarse es de aproximadamente 400 ºC según la Figura B-2.6 y Figura B-2.7. Estas preguntas permiten definir la temperatura máxima que deben tolerar los componentes mecánicos y electrónicos dispuestos en el Robot.

Figura B-2.6: Temperatura en el pozo con la bomba apagada.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

OR

DEN

DE

IMPO

RTA

NC

IA

encuesta 1

encuesta 2

encuesta 3

encuesta 4

encuesta 5

encuesta 6

encuesta 7

encuesta 8

encuesta 9

encuesta 10

0 0,5

1 1,5

2 2,5

3 3,5

4 4,5

35° C 40 a 60°C 50 a 60°C 90° C 50 a 93°C 200° C


126

Figura B-2.7: Temperatura del pozo con la bomba en funcionamiento.

Se preguntó a los expertos acerca de la rapidez con que necesitan tener la información sobre las variables medidas. Esto permite extraer conclusiones sobre la velocidad de desplazamiento que debe tener el robot sobre la tubería. La Figura B-2.8 refleja los resultados y además de la gran diversidad de opiniones se pone de manifiesto que el robot debe ser capaz de deslizarse sobre la tubería con rapidez, requisito este no funcional.

Figura B-2.8: Tiempo empleado en subir y bajar por la tubería.

También se preguntó sobre el momento en el cual sería bueno introducir el Robot los resultados se muestran en la Figura B-2.9. Aquí se observa que lo deseable es que el mismo puede ser introducido cuando el sistema de extracción está en pleno funcionamiento lo cual permitiría obtener datos en tiempo real, factor que es muy deseable para los expertos consultados (Figura B-2.10).

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

60°C 75°C 50 a 100°C 70 a 120°C 120 a 130° C

400° a 500° C

cantidad

0

1

2

3

4

5

6

7

1 HORA 24 HORAS 72 HORAS No sabe / No contesta

cantidad

No expertos entrevistados


127

Figura B-2.10: Momento en el cual se debe introducir el robot en el pozo para medir variables.

Figura B-2.11: Cómo debería ser la comunicación con el sensor.

Con el fin de valorar funcionalidades adicionales del sistema robótico, se consultó sobre eventos, fortuitos o no, que puedan provocar daños en las bombas BES y BCP. Los resultados se muestran en la Figura B-2.12 Claramente que la sobre velocidad, y fisuras en las instalaciones son las principales causas de fallos que se desean evitar.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

antes de la bomba(diseño)

en la instalación(ayuda)

durante el funcionamiento de la

bomba

no sabe / no contesta otro(especifique)

cantidad

0

2

4

6

8

10

En tiempo real Introducir el sensor y tomar las variables a la salida

No sabe / No contesta otro(especifique



128

Figura B-2.12: Ponderación de las causas más frecuentes de daño de las BES.

Se les preguntó a los expertos sobre otras posibles causas de fallo en las BES. Según la experiencia de trabajo de estas personas, el mal uso espaciamiento de los equipos y las fallas en el sistema de alimentación (tensión y corriente) son los motivos más recurrentes en los fallos de estos equipos. En cuanto a los equipos BCP, los expertos indican que las posibles causas de fallo son Fisuras en la tubería (escurrimiento del petróleo por estas) tal y como se muestra en la Figura B-2.13.

Figura B-2.13: Ponderación de las causas más frecuentes de daño de los equipos BES.

Adicionalmente se realizó en otra parte de la encuesta algunas preguntas sobre las características importantes que debe tener el robot propuesto con la finalidad de definir las características físicas más importantes del robot: En la Figura B-2.14 se

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

OR

DEN

DE

IMPO

RTA

NC

IA

encuesta 1

encuesta 2

encuesta 3

encuesta 4

encuesta 5

encuesta 6

encuesta 7

encuesta 8

encuesta 9

encuesta 10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

OR

DEN

DE

IMPO

RTA

NC

IA encuesta 1

encuesta 2

encuesta 3

encuesta 4

encuesta 5

encuesta 6

encuesta 7

encuesta 8

encuesta 9

encuesta 10

129

observa que debe ser fijo en pozo, en la Figura B-2.14 y Figura B-2.15 se observa que de acuerdo al peso debe ser liviano, en la indica que debe ser pequeño. En la Figura B-2.16 se muestra que debe ser de fácil manejo. Finalmente se recomienda su construcción en acero, en la Figura B-2.17.

Figura B-2.14: Como debe ser el robot en cuanto a la portabilidad.

Figura B-2.15: Como debe ser el robot en cuanto al peso.

Figura B-2.16: Como debe ser el robot en cuanto al tamaño.

0 1 2 3 4 5 6 7

cantidad

0 1 2 3 4 5 6 7

cantidad

0 2 4 6 8

10 12

pequeño Grande no importa el tamaño no sabe / no contesta otro(especifique)

cantidad




130

Figura B-2.17: Como debe ser el robot en cuanto a la operación.

Figura B-2.18: Material recomendado para construir el robot.

De la Información obtenida con la encuesta se plantea una metodología a seguir para seleccionar los criterios de diseño y requerimientos que debe tener la estructura robótica a proponer.

METODOLOGÍA UTILIZADA PARA DEFINIR LOS REQUISITOS DE ROBOT.

La metodología utilizada para este caso está dividida en dos partes la QDF que permite validar los requerimientos priorizar estos. Y la de casos de uso que permite establecer los requerimientos funcionales y no funcionales.

El análisis realizado se basa en el despliegue de una función de calidad

denominada QDF (Quality Funtion deployment) (Zairi y Youssef 1995). A través de este método es posible lograr definir un producto, en este caso un robot para tareas de inspección y mantenimiento en tuberías petroleras, de acuerdo con las exigencias de la aplicación. La metodología a utilizar para definir los criterios de diseño utilizando la función QFD se traduce como despliegue de la función de la calidad, a partir de la cual se extraen las conclusiones sobre cómo debe diseñarse el producto, en este caso un robot.

QFD usa una notación sistemática para relacionar metas y soluciones. La notación se fundamenta en una matriz donde las metas se colocan en un eje y las soluciones en otro eje. En cada celda de la matriz, se especifica el grado de relación entre la meta y la solución.

0 1 2 3 4 5 6 7

Fácil manejo manejado personal autorizado

no sabe / no contesta otro(especifique)

cantidad

0 0,5

1 1,5

2 2,5

Cuarzo Acero no sabe / no contesta otro(especifique) cantidad



131

Una extensión de la matriz especifica el grado de conflicto o soporte entre dos

soluciones. Otras extensiones especifican los valores percibidos de las metas y costos de la solución. La prioridad y la relación costo/beneficio de cada solución puede ser calculado desde una base de datos.

INTRODUCCIÓN AL MÉTODO DE DISEÑO DE DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD QDF El método QFD, es una aproximación sistemática al diseño basado en el cono-cimiento y los deseos del cliente y/o necesidades de la aplicación. En otras palabras, QDF permite traducir las necesidades y/o requerimientos en características del producto. QDF se fundamenta en la búsqueda de las necesidades del usuario, teniendo en cuenta las expresadas como las no expresadas, las cuales son trasladadas dentro de las acciones de diseño. Constituye una herramienta de apoyo importante para la toma de decisiones en la etapa temprana del diseño, con el fin de desarrollar productos que involucren características de calidad y logren maximizar la satisfacción del cliente permite también validar los casos de uso. QDF se divide en 4 fases que se describen a continuación. Cada una de estas fa-ses utiliza una matriz para trasladar los requerimientos del cliente hacia los diferentes módulos de obtención del producto (Ruiz y López 2003).

• Fase 1: Planificación del producto (house of quality). • Fase 2: Diseño del producto. • Fase 3: Desarrollo del producto. • Fase 4: Evaluación del desempeño del producto • QDF es un método sistemático que asegura que los requerimientos del usuario

son exactamente trasladados al producto a través de los descriptores de cada fase de desarrollo. Consecuentemente, al final del proceso de desarrollo, se obtendrá un producto totalmente adaptado a las necesidades del usuario (Olaya, Cortés y Duarte 2005).

Con el fin de trasladar los resultados de las encuestas de opinión a parámetros concretos de diseño, se utiliza una metodología empleada para el diseño de productos denominada “Quality Function Deployment” y conocida por sus siglas en inglés QDF. Dichos en otras palabras, esta metodología permite realizar la traducción del mundo del cliente al mundo de la ejecución de un producto.

• En la Figura B-2.19 se muestran las modificaciones propuestas y se observan las sub-matrices:

• Requisitos del cliente (“cómos”): lista estructurada de los requisitos de lo que se va a diseñar.

• Requisitos Técnicos (“qués”): Un grupo estructurado de características relevan-tes del producto.

132

• Sub-matriz de Planeamiento: ilustra las opiniones del cliente en las entrevistas realizadas.

• Sub-matriz Sensibilidad (techo): Donde los requisitos técnicos apoyan o impiden el producto.

• En la parte Central (indicada con el número 4 en la Figura 2.19 relaciones entre “qués” (Clientes) y “cómos” (Ingeniero Diseñador).

• En la parte inferior (con 6): Resultados de la matriz a ser analizados para el di-seño del producto.

(3)Matriz

SensibilidadEspecificaciones

(2)Comos ?

Requisitos Técnicos

(4)Matriz y Relaciones

Que ? Como ?

(1b)Ponderación Requisitos

Cliente

(6)Matriz Evaluación

Técnica

(1a)RequisitosDel Cliente

(5)Matriz

De Planeación

Figura B-2.19: Matriz de planificación de QDF modificada.

MATRIZ QDF PARA EL PROTOTIPO ROBÓTICO A DISEÑAR Para efecto de este estudio solo se trabajará con la primera matriz, ya que el interés es el desarrollo del producto. Para la construcción de la matriz se seleccionaron algunos parámetros obtenidos de las encuestas ya que otros ya están implícitos en la misma como:

133

Θ: Relación Fuerte, 9 Ο: Relación Moderada, 3 ▲: Relación Débil, 1

134

C-1ANEXO: Tabla de micro motores Pololu

Tabla 4-A. Tabla de micro motores Pololu

Modelo dimensiones relación de engranajes

RPM

I (mA)

# 2218 298:1 Micro metal Motor reductor HP con el eje del motor extendido

26 24 x 10 x 12 mm

0.34 3 298:1 100 70 1600 70


23 24 x 10 x 12 mm

0.34 3 100:1 320 80 1600 20


17 24 x 10 x 12 mm

0.34 3 50:1 630 100 1600 9


52 24 x 10 x 12 mm

0.34 3 30:1 1000

120 1600 9

# 2208 298:1 Motor reductor metal Micro con el eje del motor extendido

17 24 x 10 x 12 mm

0.34 3 298:1 45 30 360 40


104 24 x 10 x 12 mm

0.34 3 100:1 120 40 360 12


1 24 x 10 x 12 mm

0.34 3 30:1 440 40 360 4

Dimensiones del motor DC

http://www.pololu.com/catalog/product/2218�




























135

C-2ANEXO: Esquemático de la tarjeta de adquisición de los sensores

136

DANEXO Planos Mecánicos RETOV

Los planos Mecánicos que reflejan el diseño del Robot RETOV se presentan a continuación. La secuencia de planos ilustra a partir de RETOV completamente armado un despiece. Los componentes más importantes del robot son presentados con sus planos.

diseño y desarrollo de un robot de inspección de tuberías

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