Diseño e implementación de robot prototipo para la...

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Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 36, Nº 1, 3 - 12, 2013 Design and application oilfield pipelines inspection prototype robot (progressive cavity pumps and electric submersible pumps) María Alejandra Urdaneta 1 , Cecilia García 2 , Roque Saltaren 2 , Gustavo Contreras 3 , Gonzalo Ejarque 2 1 Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. [email protected]. 2 Centro de Automática y Robótica UPM-CSIC. c/José Gutiérrez Abascal, nº2, 28006. Madrid, España. 3 Ingeniero de Proyectos, Técnicas reunidas, Madrid, España. [email protected] Abstract This paper presents the development of a robot based on tensegrity structure with to perform in- spection and maintenance in petroleum pipelines. Due to the nature of application, the robot must be able to move vertically on the outside of the pipe. This type of mechanical structure is characterized by low weight and high capacity to adapt to different diameters. The application requires that the device devel- oped high-speed moving through the pipes used in oil extraction. Note that in these facilities has Sub- mersible Electric Pumps and Progressive Cavity Pumps (PCP), both very sensitive to the environmental conditions, the robot will incorporate sensors to measure variables that may interfere with normal func- tioning pumps. This article describes in detail the design assumptions made and methodology used to de- velop the first prototype. Finally, we present the results obtained through the development which has been validated the potential of application. Keywords: robot, vertical pipeline, electric pumps, progressing cavity pump. Diseño e implementación de robot prototipo para la inspección de tuberías en pozos petroleros (bombas de cavidad progresiva y bombas electro sumergibles) Resumen En este trabajo se presenta el desarrollo de un robot basado en la estructura tensegrity con el fin de realizar tareas de inspección y mantenimiento en tuberías petroleras. Debido a la naturaleza de la aplica- ción, el robot debe ser capaz de desplazarse verticalmente por el exterior de la tubería. Este tipo de estruc- tura mecánica se caracteriza por su bajo peso y su alta capacidad de adaptación a los diferentes diáme- tros. La aplicación requiere que el dispositivo desarrollado se desplace a alta velocidad por las tuberías utilizadas en la extracción del petróleo. Cabe destacar que en dichas instalaciones se cuenta con Bombas Electro Sumergibles (BES) y Bombas de Cavidad Progresiva (BCP), ambas muy sensibles a las condiciones adversas del entorno. Consecuentemente se prevé que el robot incorpore una red de sensores específicos para medir aquellas variables que puedan interferir en el funcionamiento normal de las bombas. En este artículo se describen detalladamente las hipótesis de diseño realizadas y la metodología utilizada para el desarrollo del primer prototipo. Finalmente se presentan los resultados obtenidos de dicho desarrollo a través de los cuales se ha podido validar la potencialidad de la aplicación. Palabras clave: robot, tubería vertical, bombas electro sumergible, bomba de cavidad progresiva. Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 36, No. 1, 2013

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  • Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 36, Nº 1, 3 - 12, 2013

    Design and application oilfield pipelinesinspection prototype robot (progressive cavity

    pumps and electric submersible pumps)María Alejandra Urdaneta1, Cecilia García2, Roque Saltaren2,

    Gustavo Contreras3, Gonzalo Ejarque21Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. [email protected] de Automática y Robótica UPM-CSIC. c/José Gutiérrez Abascal, nº2, 28006. Madrid, España.

    3Ingeniero de Proyectos, Técnicas reunidas, Madrid, España. [email protected]

    Abstract

    This paper presents the development of a robot based on tensegrity structure with to perform in-spection and maintenance in petroleum pipelines. Due to the nature of application, the robot must be ableto move vertically on the outside of the pipe. This type of mechanical structure is characterized by lowweight and high capacity to adapt to different diameters. The application requires that the device devel-oped high-speed moving through the pipes used in oil extraction. Note that in these facilities has Sub-mersible Electric Pumps and Progressive Cavity Pumps (PCP), both very sensitive to the environmentalconditions, the robot will incorporate sensors to measure variables that may interfere with normal func-tioning pumps. This article describes in detail the design assumptions made and methodology used to de-velop the first prototype. Finally, we present the results obtained through the development which hasbeen validated the potential of application.

    Keywords: robot, vertical pipeline, electric pumps, progressing cavity pump.

    Diseño e implementación de robot prototipopara la inspección de tuberías en pozos petroleros(bombas de cavidad progresiva y bombas electro

    sumergibles)

    Resumen

    En este trabajo se presenta el desarrollo de un robot basado en la estructura tensegrity con el fin derealizar tareas de inspección y mantenimiento en tuberías petroleras. Debido a la naturaleza de la aplica-ción, el robot debe ser capaz de desplazarse verticalmente por el exterior de la tubería. Este tipo de estruc-tura mecánica se caracteriza por su bajo peso y su alta capacidad de adaptación a los diferentes diáme-tros. La aplicación requiere que el dispositivo desarrollado se desplace a alta velocidad por las tuberíasutilizadas en la extracción del petróleo. Cabe destacar que en dichas instalaciones se cuenta con BombasElectro Sumergibles (BES) y Bombas de Cavidad Progresiva (BCP), ambas muy sensibles a las condicionesadversas del entorno. Consecuentemente se prevé que el robot incorpore una red de sensores específicospara medir aquellas variables que puedan interferir en el funcionamiento normal de las bombas. En esteartículo se describen detalladamente las hipótesis de diseño realizadas y la metodología utilizada para eldesarrollo del primer prototipo. Finalmente se presentan los resultados obtenidos de dicho desarrollo através de los cuales se ha podido validar la potencialidad de la aplicación.

    Palabras clave: robot, tubería vertical, bombas electro sumergible, bomba de cavidad progresiva.

    Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 36, No. 1, 2013

  • 1. Introducción

    En la gran mayoría de las investigacionesen las que se han desarrollado robots para la ins-pección de tuberías se pueden clasificar en dosgrandes grupos: de acuerdo al lugar donde se uti-lizan, dentro o fuera de la tubería.

    Cuando los robots se utilizan dentro de latubería pueden ser con dos formas de operación;aquellos que se mueven en el fluido de la tuberíapudiendo destacar los tipo "PIG" (PipelineInspection Gauges) [1], muy utilizados en la in-dustria petrolera en oleoductos; y aquellos querequieren drenar el líquido que contiene la tube-ría o que esta no lleve líquidos presentándosetambién en la bibliografía varios y variados de-sarrollos en este sentido. Para el prototipo setrabajará con un robot que va por el exterior detuberías específicamente aquellos en los cualessu desplazamiento más significativo se hace ensuperficies verticales. En varias investigacionesse reportan algunos de los medios de desplaza-mientos en superficies verticales, pudiendo des-tacar las siguientes formas de desplazamientos:por mecanismos magnéticos utilizados paraaplicaciones con superficies ferrosas [2], tecno-logías en las cuales se utilizan mecanismos desucción para que el robot se pueda sujetar a lasuperficie de desplazamiento, tecnologías depinzas o armados las cuales, por sujeción, se fi-jan a las superficies donde realizan su desplaza-miento, robot con patas que pueden utilizar al-gunas de las formas de sujeción mencionadasanteriormente o adhesivos para realizar sus ma-niobras y finalmente el desplazamiento con rue-das [3] como se muestra en nuestro prototipo.Antes de continuar con el diseño se definen al-gunos conceptos:

    La Tensegridad término arquitectónicoacuñado por Buckminster Fuller [4, 5] como con-tracción de tensional integrity (integridad tensio-nal). Estructuras, cuya estabilidad depende delequilibrio entre fuerzas de tracción y compre-sión [6]. En la literatura se reportan varias clasi-ficaciones para esta estructura entre las cualesse puede mencionar sistemas de comprensiónflotante “puros” y “no puros” o “clase 1” y “clase2” [7] dependiendo de si hay o no contacto entrelas barras. Con este tipo de estructuras actual-mente se han realizado robots para diferentes

    aplicaciones de robot móviles [8, 9], control demanipulador híper-redundante [10]. En la Figu-ra 1 se muestra una estructura hiperboloide sim-ilar a la estructura tensegrity propuesta.

    La estructura hiperboloide presentada enla Figura 1 posee un sistema de fuerzas y una es-tructura reglada con doble curvatura que le per-mite una elevada rigidez y una elevada trasmi-sión mecánica. La estructura gausiana posee unefecto de fuerzas negativo hacia dentro y no haciafuera de la estructura que nos permite que la es-tructura diseñada se abrase fuertemente a la tu-bería. A continuación se presenta el primer pro-totipo basado en conceptos de tensegrity en laque se han introducidos modificaciones de consi-deración para poder adaptarla a la aplicación. LaFigura 2 muestra vista en CAD del primer proto-tipo. El diseño contempla una estructura tipo ti-

    jera [11, 12].

    En los pozos petroleros se pueden encon-trar dos tipos de bombas (Figura 3). Las bombaselectro sumergibles y las de cavidad progresiva(de ahora en adelante BES y BCP, respectiva-mente).

    Las BES son, quizás, las más utilizadas de-bido a la capacidad de volumen de fluido que ma-neja, la alta fiabilidad de sus componentes. Faci-litan la independencia de la producción ya quecada pozo posee su propio equipo. Las BCP estáncompuestas por un eje de forma helicoidal quegira dentro de un estator de goma con cavidadesque empujan el crudo a medida que el eje gira através de ellas (Figura 3a). Profundidades de8.000 pies, manejando flujos cercanos a los4.000 barriles por día, dependiendo de su confi-guración, diámetro, y velocidad de giro. Las BEStrabajan a profundidades de 12.000 pies con pro-ducción que puede alcanzar los 12.000 barrilesdiarios dependiendo del pozo (Figura 3b).

    Esta tendencia de introducir dispositivosrobóticos en el pozo se debe a las grandes pérdi-das económicas que se producen cuando el pozodebe clausurarse por causas que podrían fácil-mente evitarse con la presencia de un dispositivointeligente en el pozo que permita medir variablespara impedir el daño prematuro de la bomba opara la recuperación de objetos que se puedancaer al pozo durante la instalación y manteni-miento del mismo. Se prevé que el robot cuente

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  • con una red de sensores para medir algunas va-riables de interés que permitan minimizar y co-rregir el deterioro que sufre la bomba porcondiciones de funcionamiento adversas al equi-po [13].

    Este artículo está organizado de la siguien-te manera. En la sección 2, se presentan las con-sideraciones de diseño y la metodología utilizadapara la elaboración del prototipo. En la sección 3se presenta el análisis de la estructura del robot.En la sección 4 la implementación, en la sección5 los resultados y finalmente en la sección 6 lasconclusiones y recomendaciones de futuros tra-bajos.

    2. Consideraciones y metodologíautilizada para el diseño

    Los criterios de diseño mecánico que hayque tener en cuenta a la hora de robotizar estetipo de tareas deben considerar requisitos fun-cionales y no funcionales impuestos por lascondiciones del pozo. Para el diseño de la es-tructura se tomaron en cuenta las condicionesque tendría dicha estructura dentro del pozopetrolero que debería desplazarse entre una tu-bería de acero (tubing) y las paredes del pozo(casing) presentando un anular que es la dis-tancia entre el tubing y el casing a ser conside-rada para el diseño [14] . En la Tabla 1 se mues-tra las distancias entre tubing y casing para al-gunos pozos tipos.

    Se observa que la dimensión máxima quepuede tener el robot para que pueda desplazarseentre el tubing y el casing es de 50 mm de espe-sor, para nuestro diseño se utilizó la rueda de35mm. Adicionalmente esta tubería no presentacodos, solo deberá ser capaz de evitar situacionesen las que la tubería choque con las paredes delpozo para lo cual, la estructura propuesta solocubrirá dos tercios del diámetro del ducto parapoder salvar esa situación o las uniones de la tu-bería. En la Tabla 2 se resumen las consideracio-nes de diseño más relevantes tenidas en cuenta.

    Como ya se ha mencionado, debe acoplarsefuertemente a la tubería por el exterior; ya que deno ser así podría caer al crudo y provocar el cierredel pozo. Este diseño es rígido y al mismo tiempoliviano, las ruedas deben situarse a 120º una deotra (Figura 4).

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    Figura 1 a) Estructura hiperboloide.b) Estructura flexionada.

    Figura 2. Vista CAD del Robot en la Tuberías.

    GAS

    CRUDO

    SELLO

    SEPARADOR

    BOMBA

    TUBERÍA

    UNIÓN

    MOTOR

    GAS

    CRUDO

    SELLO

    SEPARADOR

    BOMBA

    TUBERÍA

    UNIÓN

    MOTOR

    (a) BES (B) BCP

    SEPARADOR

    BOMBA

    CABILLA

    UNIÓN

    CABEZAL DEROTACIÓN

    MOTOR

    CRUDO

    GAS

    SEPARADOR

    BOMBA

    CABILLA

    UNIÓN

    CABEZAL DEROTACIÓN

    MOTOR

    CRUDO

    GAS

    Figura 3. Bombas utilizadas en las estacionesextractoras de petróleo.

  • 3. Analisis de la estructuradel robot

    Cálculo de la inercia

    A un cilindro de masa m, radio Rrue longitudL respecto de su eje y la inercia del vehículo redu-cida al eje de las ruedas. Asimilando cada rueda aun cilindro, la inercia (por rueda) se toma un ele-mento de masa que dista x del eje de rotación. Elelemento es una capa cilíndrica cuyo radio exte-

    rior es x+dx, y de longitud L., La masa dm la quecontiene esta capa es:

    dmm

    R LxdxL

    m

    Rxdxrue

    rue

    rue

    rue� �

    ��2 22

    2(1)

    El momento de inercia del cilindro está enla ecuación "2" y "3":

    J J x dmm

    Rx dx m Rc rue

    rue

    ruerue rue� � � ��� 2 2

    3 22 12

    (2)

    J m Rrue rue rue�12

    2 (3)

    Debido a que cada rueda esta motorizadaesta relación anterior representa el momento deinercia para una traslación pura. Luego la ener-gía cinética se puede representar como:

    T S T S T SR RTRANS

    RROT( ) ( ) ( )� � (4)

    Para un movimiento de traslación y tenien-do en cuenta que hay seis motores para seis rue-das se tiene la ecuación:

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    Tabla 2Criterios de diseño

    Variable Consideraciones de diseño

    Sistema de Tracción Con ruedas con desplazamiento Vertical

    Temperatura Material receptáculo con aislamiento térmico, paras temperatura ( 400�F)y a prueba de explosión

    Dimensiones 50 mm adherido a la tubería

    Velocidad Capaz de desplazarse entre 8000 y 12000 pies (velocidad adecuada).

    Figura 4. Estructura Robótica con sus ruedascolocadas cada 120 grados.

    Tabla 1Diámetros de Anulares entre Tubing y Casing

    (Información de campo suministrada por la empresa BCP – VEN)

    Tubing Casing Anular

    2-7/8’’ (73 mm) 5-1/2’’ ( 139.7 mm) 66.7 mm

    3-1/2 ’’ (88.9 mm) 5-1/2’’ (1s 39.5mm) 50.8mm

    31/2 ’’ (88.9 mm) 7’’ (177.8 mm) 88.9 mm

    4-1/2 ’’ (114.3mm) 9-5/8’’ (244.4 mm) 130.1 mm

    5-1/2 ’’ (139.3mm) 9-5/8’’ (244.4 mm) 105.1 mm

  • T S m m m X

    J

    R rot rue resto vehículo

    r

    ( ) [ ]� � � � � �

    � � �

    �12

    6 6

    12

    6

    2

    ot rot rue rueJ� � � � �� �2 21

    26

    (5)

    Se introduce la relación de trasmisión delas ruedas y se deduce las inercias del eje delmotor

    T S mR

    iJR TOTAL

    rue rotrot

    ro

    ( ) [ ]� ��

    �� � � � �

    12

    1 12

    6�

    � t ruerotJi

    2 12

    61

    � �

    ��

    (6)

    Sacando factor común la velocidad de rota-ción del rotor del motor, de la expresión anteriorse deduce la inercia total del vehículo reducida aleje del motor para un movimiento de traslación.En la Figura 5 se presenta el torque del motorversus el tiempo al alcanzar la velocidad deseadaen el arranque y parada del mismo:

    J Ji

    m R JTOTALTRANS

    rotor TOTAL rue rue� � � � � � ��

    ��6

    162

    2

    *(

    �� (7)

    Cuando un robot tiene más de tres ruedasse tiene una redundancia en las mismas.

    La fuerza normal de las ruedas contra lapared de la tubería se puede modelar en:

    N K FT� �( )� 1 (8)

    donde:

    �FT1: Es la fuerza aplicada por la estructura.

    K� : Es un coeficiente de incremento de fuerza.Y depende del tamaño de la estructura.Para el movimiento de rotación de las rue-

    das se tienen las expresiones de las ecuaciones"9", "10" y "11":

    F Nf mg NPT � � �sin � (9)

    P FV

    e T��

    �(10)

    Y FT i

    rTe n

    d�

    6(11)

    En la que:

    FT : Es la fuerza de tracción.

    Pe : es la potencia de salida del motor

    Te : es el par de salida del motor.

    in : Es una relación de velocidad.

    � : Es la eficiencia total.

    rd : es el radio de las ruedas motrices.

    V� : es la velocidad.

    f : es el coeficiente de resistencia de fricciónrodante.

    � : es el coeficiente de adhesión.

    � : es el ángulo de inclinación del tubo.

    Los resultados "10" y "11" se aplican a unacondición de tracción pura sin deslizamiento.Debido a que los factores no estructurados queson las presiones totales y parciales de las ruedascontra la tubería afectan la estabilidad de la ad-herencia a la misma y las eficiencias de la poten-cia de salida. La tasa de deslizamiento y el coefi-ciente de adherencia tienen una relación directacomo se presenta en la ecuación anterior.

    Con los valores obtenidos se seleccionaronlos motores sobredimensionados para que el ro-bot pueda trepar en la tubería petrolera sin difi-cultad y pueda llevar carga (cámara, sensores,etc.). Se le colocaran seis motores DC que le dentracción a las ruedas para permitir que esteescale con facilidad.

    Primer prototipo desarrollado

    Una vez consideradas todas las necesida-des de la aplicación y habiendo realizado el análi-sis de la estructura se construyo el primer proto-tipo del robot. En la Tabla 3 se describen las ca-racterísticas constructivas del robot.

    Para el robot se utilizaron seis (6) micro mo-tores pololu Relación engranajes: 298:1 Dimen-siones Tamaño: 24 × 10 × 12 mm Peso: 9.63 gra-mos. 100:1 Micro Metal Gearmotor HP #1101 dealto torque (2.5Kg/cm), con su base y encoder

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    Figura 5. Evolución de la potencia mecánicapara un movimiento lineal.

  • pololu acoplados a seis (6) ruedas Pololu de poli-propileno con buena tracción utilizadas en co-ches de control remoto. En la Figura 6 (a y b) semuestra una fotografía del servomotor y la ruedajunto con el encoder que cierra el lazo de control.

    En la Figura 7 se presenta el primer prototi-po en la tubería en el laboratorio, la tubería mos-trada se corresponde con una de los estándaresutilizados en la extracción del petróleo.

    Los micro-motores son controlados por dosreguladores PD los cuales indicarán el ancho depulso correspondiente que hay que aplicar a losmotores. Los PD son implementados por software(lenguaje C).

    4. Implementación: hardwarede control

    Los micro motores que dan movimiento alrobot así como los sensores para la recogida dedatos son controlados mediante el SBC (SingleBoard Computer) Wildfire 5282.

    Esta tarjeta lleva embebida un microproce-sador Coldfire de Motorola. También son imple-mentados todos los puertos necesarios para el con-trol del robot así como un puerto RJ-45 para la co-municación vía TCP/IP con el ordenador del usua-rio. En la Figura 8 se muestra una fotografía de latarjeta.

    Los puertos digitales de la tarjeta Wildfirese utilizan para controlar los “puente en H” quellevarán acoplados los motores. El circuito de po-tencia de los motores consta de un circuito inte-grado SN14L74 para amplificar la tensión provenien-te de la tarjeta de 3.3V a 5V y de un circuito L293B,

    que contiene los puentes en H.

    La tarjeta Wildfire instalada en el robot per-mitirá la consecución de las siguientes funciones:

    – Control de la velocidad de los motores me-diante PWM.

    – Implementación de los PD necesarios paracontrolar el comportamiento de los moto-res.

    – Recepción de las señales de los sensores.

    El hardware de control debe enviar tanto la in-

    formación relativa al estado del robot y de su entor-

    no así como recibir los comandos que el usuario le

    envíe. Se prefiere la conexión vía TCP/IP porque es

    más rápido que otras conexiones por ejemplo vía

    Serial y además posee control de paquetes de datos.

    Mediante la librería de OpenTCP, se ha imple-

    mentado en el software de la tarjeta los sockets nece-

    sarios para llevar a cabo estas tareas. La codificación

    del software está hecha en C.

    Interfaz gráfica

    Uno de los principales elementos de estaaplicación es la interfaz visual y de control deloperador. Esta permite el flujo de informacióndesde la estación de control, en la que se sitúa elingeniero de petróleo, hacia el robot y viceversa.

    Durante el desarrollo normal de la tarea, elrobot descenderá hacia el pozo a través de la tu-bería por lo tanto es imposible mantener el con-tacto directo con él. La importancia de esta inter-faz radica en el hecho que el operador será capazde observar en tiempo real la evolución de diver-sas variables físicas.

    La interfaz está desarrollada en C++ bajo laconcepción de la programación orientada a obje-

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    Tabla 3. Características del robot

    Característica Peso Longitudes Espesor Diámetro

    Cantidad 611 gramos 42 cm 35mm(ruedas) 160mm a 200mm

    Figura 6(a). El Servo-motor y reductora Micro Steel de Pololu. En 6(b) la rueda con el encoder.

  • tos y en un entorno Windows. En la Figura 9 semuestra una captura de imagen de la interfaz de-sarrollada. Tal como puede apreciarse la interfazpermite la visualización en tiempo real de lasimágenes captadas por la cámara del robot. En lasiguiente sub-sección se describen brevementelas funcionalidades de la interfaz.

    Funcionalidades de la interfaz

    Las diferentes finalidades de esta interfazquedan definidas en los siguientes puntos: simu-lación del entorno del robot, teleoperación libremediante joystick, teleoperación mediante asig-nación de coordenadas, control del estado de laconexión TCP/IP con el robot, toma de imágenesde la cámara insertada en el robot, toma de datosde los sensores y representación gráfica de losmismos.

    A continuación se detallará el contenido decada uno de los objetivos de la interfaz.

    Simulación del entorno del robot

    Para simular el movimiento real del robot enla tubería se ha dispuesto de una imagen simula-da en la pantalla principal de la interfaz, en la quese muestra una estructura desplazándose a lamisma velocidad que el robot real. La simulacióndel entorno está desarrollada mediante OpenGL(Open Graphics Library). La API de OpenGL per-mite dibujar gráficos tanto en 2D como en 3D.

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    Figura 7. Fotografía del primer prototipodesarrollado.

    Figura 8. Tarjeta Wildfire 5282.

    Figura 9. Imagen de la interfaz.

  • En el entorno virtual y de forma conceptualse representan los elementos principales que for-man parte del escenario. Uno de ellos es la tube-ría de la bomba del pozo, lugar por donde descen-derá el robot. La aplicación gráfica recibirá, víaTCP/IP, la posición de los motores por parte delhardware incluido en el robot. Con ese dato ac-tualiza la posición del robot virtual dentro de lasimulación.

    Teleoperación libre mediante Joystick

    En este modo el usuario puede controlar elcomportamiento del robot usando el joystick. Alactivar esta opción el joystick queda enlazado a laaplicación. Siempre y cuando se tenga pulsado elbotón de hombre muerto la posición del joystickserá procesada por la aplicación. Dependiendode esta posición la interfaz enviará paquetes porTCP/IP al hardware del robot indicándole quétipo de movimiento y a qué velocidad se ha de rea-lizar. En caso de soltar el botón emergencia se en-viará la señal de paro de los motores al robot. Lasdiferentes posibilidades del control del movi-miento del robot son: ascenso, descenso.

    Teleoperación mediante asignaciónde coordenadas

    En este modo el usuario podrá especificarunas coordenadas y enviárselas al robot para queéste vaya a esa posición.

    Las coordenadas a introducir serán la pro-fundidad a la que se dirigirá el robot. Estas coor-denadas se enviarán vía TCP/IP al hardware delrobot para su ejecución.

    Cabe destacar que la interfaz gráfica permi-te al usuario conectarse con el hardware del ro-bot. De esta forma la aplicación puede enviarledatos del control de movimiento al robot y éste asu vez le enviará su estado y la información de lossensores.

    La conexión se realiza bajo el protocoloTCP/IP. La interfaz le indicará al usuario el esta-do de la conexión con el robot así como permitirlereconectar en caso de error.

    Toma de datos e imágenes

    La interfaz gráfica recibirá video de la cáma-ra instalada en el robot. De esta forma el usuariopodrá ver en tiempo real lo qué ocurre en la pro-fundidad del pozo y actuar en consecuencia.

    Comunicación con el robot

    Para que el usuario pueda controlar y ad-quirir datos del robot la interfaz debe estar conec-tada a éste. Con tal fin la comunicación se desa-rrolla bajo sockets haciendo uso de la clase CSoc-ket de Windows. El protocolo de comunicaciónusado es TCP/IP. En la Figura 10 se muestra undiagrama de bloques de la conexión. La informa-ción que la interfaz ha de enviar es:

    – Velocidad los diferentes motores (en caso detele operación libre).

    – Posición a la cuál debe dirigirse el robot (encaso de tele operación por coordenadas).

    La información que debe recibir la interfaz es:

    – Medidas de todos los sensores instalados.

    – Información de los encoder de los motores.

    En la Figura 10 se puede observar que la co-nexión entre la cámara y la interfaz visual es através de un cable USB. Este tipo de comunica-ción es adecuada para el prototipo de laboratorio(ver Figura 7). La versión definitiva contempla eluso de la fibra óptica.

    Resultados

    La estructura diseñada puede desplazarsepor la tubería vertical y su diseño basado en ten-segrity le permite, con la propia estructura, fijar-se a la tubería sin utilizar otro mecanismo desujeción.

    A continuación se presentan los resultadosobtenidos con RETOV. En la Tabla 4, se mues-tran los tiempos y las velocidades alcanzadas porel robot durante el ascenso y descenso. La prue-ba se realizó desplazándolo 2 metros para podercalcular la velocidad alcanzada por el robot. En laFigura 11 se presenta una secuencia fotográficatomada durante las pruebas de ascenso y des-censo del robot.

    Adicionalmente en la Figura 11, se realizóuna prueba extra colocándole al robot una cargade 500 gramos sobre la estructura. En la Tabla 5se muestran los resultados obtenidos en veloci-dad y tiempo. Si se comparan los resultados delas Tablas 4 y 5 se puede observar que el tiempode ascenso se incremento en 48 segundos,mientras que en descenso se incremento en 17segundos como era de esperarse ya que para el

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  • ascenso el peso de la carga disminuye la veloci-dad del mismo.

    Conclusión

    En este artículo se presentó el desarrollodel primer prototipo del robot RETOV (Robot entubería de Operación Vertical): una estructurarobótica capaz de desplazarse por una tuberíapetrolera midiendo ciertas variables de interésque afectan al buen desempeño de los elemen-tos que integran el proceso de extracción de Pe-tróleo.

    El diseño mecánico del robot se basa en losconceptos de tensegrity con lo que se logra unaestructura con bajo peso, deformable para adap-tarse a la tubería y con la rigidez que se necesitapara poder contener en ella el conjunto de senso-res que debe llevar el Robot.

    Cabe destacar que en las pruebas realiza-das el robot tuvo en buen desempeño tanto enmovimiento libre como en movimiento con cargalográndose en ambos casos velocidades más queaceptables.

    Actualmente los autores están trabajandoen el segundo prototipo caracterizado por anillos.

    Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 36, No. 1, 2013

    Diseño e implementación de robot prototipo para la inspección de tuberías en pozos petroleros 11

    Tabla 4. Ensayo realizado con RETOVsin carga

    Tiempo Velocidad

    Ascenso 1 min 0,0167m/s

    Descenso 0,98 min 0,0163m/s

    Tabla 5. Ensayo realizado con RETOVcon una carga 500 gramos

    Tiempo (min) Velocidad

    Ascenso 1,48 min 0,0926 m/s

    Descenso 1,15 min 1,133 m/s

    Figura 10. Conexión entre la interfaz y el robot.

    AS

    CE

    NS

    OD

    ES

    CE

    NS

    O

    Figura 11. Secuencia de fotografías con los resultados con una carga de 500 gramos.

  • Agradecimientos

    Los autores quieren agradecer el apoyo eco-nómico a la Universidad del Zulia y al Ministeriode Ciencia e Innovación (DPI2009-08778), a laComunidad de Madrid (RoboCity 2030 II) y aBCP-VEN por la información suministrada.

    Referencias bibliográficas

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    Recibido el 7 de Abril de 2011

    En forma revisada el 24 de Septiembre de 2012

    Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 36, No. 1, 2013

    12 Urdaneta y col.