Sistema robótico de movimentação interna em tubulações baseado em atuadores eletromagnéticos lineares

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo, simulação, projeto, prototipação e validação experi mental de um conjunto de atuadores lineares eletromagnéticos para compor a estrutura de locomoção de um robô de deslocamento interno em tubulações. A motivação para realiza ção deste trabalho é propor uma solução alternativa para robôs utilizados na desobstrução de tubulações petrolíferas em águas profundas. Os atuadores desenvolvidos são unidos de forma a compor um sistema robótico para movimentação interna em tubulações com acionamento elétrico individualizada dos mecanismos de fixação e deslocamento. O robô desenvolvido neste trabalho utiliza movimento peristáltico em conjunto com acionamento coordenado de patas para efetuar seu deslocamento. A força utilizada para movimentação do robô é produzida por um atuador linear eletromagnético monofásico de imãs perma nentes especialmente projetado para a aplicação. O robô utiliza um conjunto de patas mecânicas autotravantes acionadas por um atuador linear eletromagnético de relutância variável, também especificamente projetado e detalhado neste trabalho, para se fixar à tu bulação e permitir sua locomoção. O projeto do robô é realizado tendo em vista aplicação em tubulações com curvas e derivações Como parâmetro de projeto, foi considerada uma tubulação de 4 polegadas de diâmetro interno contendo curvas com raio de curvatura de 5 vezes seu diâmetro interno e derivações em "T"com raio de curvatura de 2 vezes seu diâmetro interno. O acionamento de todos os atuadores é monofásico, facilitando seu uso e reduzindo a necessidade de componentes eletrônicos quando comparado com atuadores trifásicos. O projeto dos atuadores foi realizado a partir de simulações numéricas utili zando o método de elementos finitos. Foram utilizadas simulações paramétricas, onde as principais variáveis dimensionais do atuador foram avaliadas dentro de uma faixa de valores pré-estabelecida, em busca das dimensões geométricas capazes de maximizar a força obtida pelos atuadores. Os atuadores projetados são então integrados através de software de desenho 3D onde são especificados todos os elementos mecânicos de fixação e montagem. Com base nos desenhos, um protótipo em escala real é desenvolvido para validação experimental. Os atuadores são testados individualmente e também integrados para compor a estrutura de locomoção do robô. Nos testes individuais, avaliou-se a força e a indutância de cada atuador. Já os testes com atuadores integrados para compor o robô foram realizados em bancada de teste contendo tubulação retilínea transparente para ope- ração sem e com carga mecânica aplicada. Os resultados obtidos demonstram que o robô projetado é capaz de deslocar-se internamente em tubulações, como projetado, inclusive tracionando uma carga de aproximadamente 50 N.

This work presents the study, simulation, design, prototyping, and experimental vali dation of a set of electromagnetic linear actuators to compose the locomotion structure of an internal displacement robot in pipelines. The motivation for this work is to propose an alternative solution for robots used in the unclogging of deepwater oil pipelines. The de veloped actuators are joined to form a robotic system for internal movement in pipelines with individualized electrical actuation of the clamping and displacement mechanisms. The robot developed in this work uses peristaltic motion in conjunction with coordinated paw actuation to perform its displacement. The force used to move the robot is produced by a single-phase electromagnetic linear actuator with permanent magnets specially de signed for this application. The robot uses a set of self-locking mechanical paws actuated by a variable-reluctance electromagnetic linear actuator, also specifically designed and detailed in this work, to attach itself to the pipeline and enable its locomotion. The robot was designed for use in pipelines with bends and branches. The design parameter was a 4-inch internal diameter pipeline with bends with a radius of curvature of 5 times its internal diameter and “T” branches with a radius of curvature of 2 times its internal di ameter. The designed robot has a cylindrical shape for better coupling with the tubular environment. The topologies chosen for the electromagnetic linear actuators were defined based on a literature review, in which structures that were constructively simple, robust, and compact were selected. All actuators are single-phase, facilitating their use and re ducing the need for electronic components when compared to three-phase actuators. The actuators were designed based on numerical simulations using the finite element method. Parametric simulations were used, in which the main dimensional variables of the actuator were evaluated within a pre-established range of values, seeking the geometric dimensions capable of maximizing the force obtained by the actuators. After obtaining the actuator dimensions, a final simulation is performed to identify the behavior of the force produced. The designed actuators are then integrated using 3D design software, specifying all me chanical fastening and assembly elements. Based on the drawings, a full-scale prototype is developed for experimental validation. The actuators are tested individually and also integrated to form the robot’s locomotion structure. In the individual tests, the force and inductance of each actuator were evaluated. Tests with actuators integrated into the robot were performed on a test bench containing transparent straight piping for operation with and without applied mechanical load. The results demonstrate that the designed robot is capable of moving through piping, as designed, even pulling a load of approximately 50 N.