The most common way to transport oil and natural gas in Canada is by using pipes. In the last years, population growth has led to an increase in the pipeline network. This increase will generate new areas of research such as the detection of leakages or cracks and the maintenance of the pipeline system as a whole. In this thesis, a novel hypermobile robot, capable of moving along pipes of different diameters, is proposed and developed. The robot is composed of three modules, two propulsive modules and one control module linked by passive joints. The propulsive module has eight actuators: four gearmotors to propel the robot along the pipe, and four servomotors to control the radial position of the robot in the pipe and to maintain the robot's balance. A Raspberry Pi is used to control the actuators, acquire sensor feedback, and receive commands from a remote wireless user-controlled GUI. An existing dynamic controller is adapted to the robot's architecture. Simulations and experimental tests in open-loop and closed-loop modes are performed to evaluate the effectiveness of the robot's design and controller. The results show the efficiency of the mechanical and electronic components of the robot since it is capable of following the generated paths. The outcome of this thesis can be used in trajectory tracking controllers and for in-pipe robot design.

This research covers modeling of Electro Magnetic Acoustic Transducers (EMATs) and their application in excitation and detection of longitudinal guided Lamb wave modes for evaluation of flaws in cylindrical pipes. The combination of the configuration of transducers and the frequency of the input current is essential for successful excitation of desired guided wave modes and for proper interpretation of the results. In this study EMATs were successfully constructed and longitudinal modes L(0,1) and L(0,2) were excited in the pipe. From the recorded signals the level of simulated damage in pipes could be assessed. It is also possible to theoretically predict the location of the pipe flaws. Theoretical predictions are matched with experimental results. Dents and holes in pipes are detected by appropriate signal processing of received L(0,1) and L(0,2) modes.

Offshore oil production presents major challenges due to extreme environmental conditions. With present state of the art robotics, precision mechanics and automation it is now possible to provide solutions to those working conditions. The present work is part of a solution to the problem of the unblocking a subsea oil pipeline of small diameter and extensive length by designing and manufacturing a robot capable of moving inside the pipeline. Based on the previous study of an interdisciplinary group, the implementation of an umbilical cable was defined with the purpose of assuring the supply of electrical power for the robot’s energy requirements, control signals and a mechanical link to avoid the possibility of getting stuck. Similarly, the robot's movement strategy was defined based on a high reliability mechanism, capable of overcoming the great tension resulting from the interaction of the long umbilical cable with the inside of the pipe. In this work, the mechanical design is performed to implement a robot capable of overcoming big cable tensions with small components, integrating commercial components and others custom made. A solution was implemented to convert the electric power received through the cable to the mechanical power in the form required by the displacement mechanism. For this, a detailed engineering design is presented that integrates a high performance electric motor, a two-stage planetary gear transmission for high reduction ratio, a power split transmission driven by disc clutches and a mechanical power distribution stage required by the mechanism responsible for the displacement. / La producción de petróleo offshore presenta grandes desafíos por las condiciones en que se lleva a cabo, actualmente es posible darle solución con la ayuda de la robótica, la mecánica de precisión y la automatización. El presente trabajo es parte de una solución al problema de la desobstrucción en una tubería de petróleo submarina de pequeño diámetro y largo tendido mediante el diseño y la construcción de un robot capaz de trasladarse por el interior de la misma. En base al estudio previo de un grupo interdisciplinario se definió la implementación de un cable umbilical con el propósito de asegurar el suministro de potencia eléctrica para los requerimientos de energía de robot, el enlace de señales destinadas al control y un vínculo mecánico para proveer seguridad ante un eventual desperfecto. Similarmente se definió la estrategia de movimiento del robot en base a un mecanismo de alta confiabilidad, capaz de vencer una gran tensión producto de la interacción del largo cable umbilical con el interior de la tubería. En este trabajo se realiza el diseño mecánico para implementar un robot capaz de realizar grandes esfuerzos con componentes de tamaño reducido, integrando componentes comerciales y otros hechos a medida. Para ello, se implementó una solución para convertir la potencia eléctrica recibida a través del cable a la potencia mecánica en la forma requerida por el mecanismo que da lugar al movimiento. Para dicha solución se presenta un diseño detallado que integra un motor eléctrico de alto desempeño, una transmisión planetaria reductora de dos etapas, una transmisión inversora accionada por embragues de discos y una etapa de distribución de potencia mecánica requerida por el mecanismo responsable del movimiento.

The present work makes a study of the drag forces of umbilical cables of pipes inspection robots and aims to determine a valid model for their calculation. For this purpose, the physical models are developed in relation to the friction forces for the straight and curved sections in all their possible configurations, obtaining for each case a differential equation that models the friction phenomenon and that includes fluid and cable the characteristics. By solving the differential equation, an explicit expression is obtained for the value of the frictional force in each case. In the present work, the obtained model is evaluated in comparison with the traditional simplified model. It is also presented a study about the influence of the stiffness of the cable and how this characteristic generates the forces of the normal general forces at the ends of the curves that, finally, result in an additional component of the frictional forces. By comparison with actual drag force measurements, the model obtained is validated. The complexity of the calculations required for the determination of the pull forces in real pipes makes it necessary to use software tools to facilitate it. For this reason, two software applications are developed, one specific for rigid pipes and another one for flexible pipes. A series of strategies of how to keep low the maximum value of the cable tension are presented too. / El presente trabajo se dedica al estudio de fuerzas de arrastre de cables umbilicales de robot de inspección o desobstrucción de tuberías y tiene como objetivo la determinación de un modelo válido para el cálculo de las mismas. Para tal fin, se desarrollan los modelos físicos en relación a las fuerzas de rozamiento presentes para tramos rectos y curvas en todas sus configuraciones posibles, obteniéndose así, para cada caso, una ecuación diferencial que modela el fenómeno del rozamiento y que incluye las variables propias del fluido presente y las características pertinentes del cable. Mediante la resolución de esa ecuación diferencial, se obtiene una expresión explícita para el valor de la fuerza de rozamiento en cada caso. En el presente trabajo, el modelo obtenido es evaluado mediante comparación con el modelo simplificado tradicional de manera de ver los alcances del nuevo modelo. Se realiza también una presentación de la influencia que tiene la rigidez del cable y como esta rigidez a la flexión genera fuerzas normales adicionales en los extremos de las curvas que redundan finalmente en una componente adicional de las fuerzas de fricción. Mediante comparación con mediciones reales de fuerza de arrastre se valida el modelo obtenido Dada la complejidad de los cálculos requeridos para la determinación de las fuerzas de arrastre de tuberías reales se desarrollan dos aplicaciones de software para el cálculo de las mismas, una específica para tuberías rígidas y otra para tuberías flexibles utilizando algoritmos de cálculo basados en las ecuaciones determinadas. Son presentadas también, una serie de estrategias de forma de mantener acotado el valor máximo de la tensión de cable. Dentro de las estrategias están la elección de materiales de recubrimiento de cable que presenten un bajo coeficiente de fricción con la tubería, la adopción de cables cuyo peso específico sea tal que el peso se iguale a la fuerza de empuje y la incorporación de varios dispositivos de tracción del cable de modo de mantener bajas las contra tensiones del cable utilizando un sistema distribuido de empuje.

Offshore oil production presents major challenges due to extreme environmental conditions. With present state of the art robotics, precision mechanics and automation it is now possible to provide solutions to those working conditions. The present work is part of a solution to the problem of the unblocking a subsea oil pipeline of small diameter and extensive length by designing and manufacturing a robot capable of moving inside the pipeline. Based on the previous study of an interdisciplinary group, the implementation of an umbilical cable was defined with the purpose of assuring the supply of electrical power for the robot’s energy requirements, control signals and a mechanical link to avoid the possibility of getting stuck. Similarly, the robot's movement strategy was defined based on a high reliability mechanism, capable of overcoming the great tension resulting from the interaction of the long umbilical cable with the inside of the pipe. In this work, the mechanical design is performed to implement a robot capable of overcoming big cable tensions with small components, integrating commercial components and others custom made. A solution was implemented to convert the electric power received through the cable to the mechanical power in the form required by the displacement mechanism. For this, a detailed engineering design is presented that integrates a high performance electric motor, a two-stage planetary gear transmission for high reduction ratio, a power split transmission driven by disc clutches and a mechanical power distribution stage required by the mechanism responsible for the displacement. / La producción de petróleo offshore presenta grandes desafíos por las condiciones en que se lleva a cabo, actualmente es posible darle solución con la ayuda de la robótica, la mecánica de precisión y la automatización. El presente trabajo es parte de una solución al problema de la desobstrucción en una tubería de petróleo submarina de pequeño diámetro y largo tendido mediante el diseño y la construcción de un robot capaz de trasladarse por el interior de la misma. En base al estudio previo de un grupo interdisciplinario se definió la implementación de un cable umbilical con el propósito de asegurar el suministro de potencia eléctrica para los requerimientos de energía de robot, el enlace de señales destinadas al control y un vínculo mecánico para proveer seguridad ante un eventual desperfecto. Similarmente se definió la estrategia de movimiento del robot en base a un mecanismo de alta confiabilidad, capaz de vencer una gran tensión producto de la interacción del largo cable umbilical con el interior de la tubería. En este trabajo se realiza el diseño mecánico para implementar un robot capaz de realizar grandes esfuerzos con componentes de tamaño reducido, integrando componentes comerciales y otros hechos a medida. Para ello, se implementó una solución para convertir la potencia eléctrica recibida a través del cable a la potencia mecánica en la forma requerida por el mecanismo que da lugar al movimiento. Para dicha solución se presenta un diseño detallado que integra un motor eléctrico de alto desempeño, una transmisión planetaria reductora de dos etapas, una transmisión inversora accionada por embragues de discos y una etapa de distribución de potencia mecánica requerida por el mecanismo responsable del movimiento.

The present work makes a study of the drag forces of umbilical cables of pipes inspection robots and aims to determine a valid model for their calculation. For this purpose, the physical models are developed in relation to the friction forces for the straight and curved sections in all their possible configurations, obtaining for each case a differential equation that models the friction phenomenon and that includes fluid and cable the characteristics. By solving the differential equation, an explicit expression is obtained for the value of the frictional force in each case. In the present work, the obtained model is evaluated in comparison with the traditional simplified model. It is also presented a study about the influence of the stiffness of the cable and how this characteristic generates the forces of the normal general forces at the ends of the curves that, finally, result in an additional component of the frictional forces. By comparison with actual drag force measurements, the model obtained is validated. The complexity of the calculations required for the determination of the pull forces in real pipes makes it necessary to use software tools to facilitate it. For this reason, two software applications are developed, one specific for rigid pipes and another one for flexible pipes. A series of strategies of how to keep low the maximum value of the cable tension are presented too. / El presente trabajo se dedica al estudio de fuerzas de arrastre de cables umbilicales de robot de inspección o desobstrucción de tuberías y tiene como objetivo la determinación de un modelo válido para el cálculo de las mismas. Para tal fin, se desarrollan los modelos físicos en relación a las fuerzas de rozamiento presentes para tramos rectos y curvas en todas sus configuraciones posibles, obteniéndose así, para cada caso, una ecuación diferencial que modela el fenómeno del rozamiento y que incluye las variables propias del fluido presente y las características pertinentes del cable. Mediante la resolución de esa ecuación diferencial, se obtiene una expresión explícita para el valor de la fuerza de rozamiento en cada caso. En el presente trabajo, el modelo obtenido es evaluado mediante comparación con el modelo simplificado tradicional de manera de ver los alcances del nuevo modelo. Se realiza también una presentación de la influencia que tiene la rigidez del cable y como esta rigidez a la flexión genera fuerzas normales adicionales en los extremos de las curvas que redundan finalmente en una componente adicional de las fuerzas de fricción. Mediante comparación con mediciones reales de fuerza de arrastre se valida el modelo obtenido Dada la complejidad de los cálculos requeridos para la determinación de las fuerzas de arrastre de tuberías reales se desarrollan dos aplicaciones de software para el cálculo de las mismas, una específica para tuberías rígidas y otra para tuberías flexibles utilizando algoritmos de cálculo basados en las ecuaciones determinadas. Son presentadas también, una serie de estrategias de forma de mantener acotado el valor máximo de la tensión de cable. Dentro de las estrategias están la elección de materiales de recubrimiento de cable que presenten un bajo coeficiente de fricción con la tubería, la adopción de cables cuyo peso específico sea tal que el peso se iguale a la fuerza de empuje y la incorporación de varios dispositivos de tracción del cable de modo de mantener bajas las contra tensiones del cable utilizando un sistema distribuido de empuje.

Offshore oil production presents major challenges due to extreme environmental conditions. With present state of the art robotics, precision mechanics and automation it is now possible to provide solutions to those working conditions. The present work is part of a solution to the problem of the unblocking a subsea oil pipeline of small diameter and extensive length by designing and manufacturing a robot capable of moving inside the pipeline. Based on the previous study of an interdisciplinary group, the implementation of an umbilical cable was defined with the purpose of assuring the supply of electrical power for the robot’s energy requirements, control signals and a mechanical link to avoid the possibility of getting stuck. Similarly, the robot's movement strategy was defined based on a high reliability mechanism, capable of overcoming the great tension resulting from the interaction of the long umbilical cable with the inside of the pipe. In this work, the mechanical design is performed to implement a robot capable of overcoming big cable tensions with small components, integrating commercial components and others custom made. A solution was implemented to convert the electric power received through the cable to the mechanical power in the form required by the displacement mechanism. For this, a detailed engineering design is presented that integrates a high performance electric motor, a two-stage planetary gear transmission for high reduction ratio, a power split transmission driven by disc clutches and a mechanical power distribution stage required by the mechanism responsible for the displacement. / La producción de petróleo offshore presenta grandes desafíos por las condiciones en que se lleva a cabo, actualmente es posible darle solución con la ayuda de la robótica, la mecánica de precisión y la automatización. El presente trabajo es parte de una solución al problema de la desobstrucción en una tubería de petróleo submarina de pequeño diámetro y largo tendido mediante el diseño y la construcción de un robot capaz de trasladarse por el interior de la misma. En base al estudio previo de un grupo interdisciplinario se definió la implementación de un cable umbilical con el propósito de asegurar el suministro de potencia eléctrica para los requerimientos de energía de robot, el enlace de señales destinadas al control y un vínculo mecánico para proveer seguridad ante un eventual desperfecto. Similarmente se definió la estrategia de movimiento del robot en base a un mecanismo de alta confiabilidad, capaz de vencer una gran tensión producto de la interacción del largo cable umbilical con el interior de la tubería. En este trabajo se realiza el diseño mecánico para implementar un robot capaz de realizar grandes esfuerzos con componentes de tamaño reducido, integrando componentes comerciales y otros hechos a medida. Para ello, se implementó una solución para convertir la potencia eléctrica recibida a través del cable a la potencia mecánica en la forma requerida por el mecanismo que da lugar al movimiento. Para dicha solución se presenta un diseño detallado que integra un motor eléctrico de alto desempeño, una transmisión planetaria reductora de dos etapas, una transmisión inversora accionada por embragues de discos y una etapa de distribución de potencia mecánica requerida por el mecanismo responsable del movimiento.

The present work makes a study of the drag forces of umbilical cables of pipes inspection robots and aims to determine a valid model for their calculation. For this purpose, the physical models are developed in relation to the friction forces for the straight and curved sections in all their possible configurations, obtaining for each case a differential equation that models the friction phenomenon and that includes fluid and cable the characteristics. By solving the differential equation, an explicit expression is obtained for the value of the frictional force in each case. In the present work, the obtained model is evaluated in comparison with the traditional simplified model. It is also presented a study about the influence of the stiffness of the cable and how this characteristic generates the forces of the normal general forces at the ends of the curves that, finally, result in an additional component of the frictional forces. By comparison with actual drag force measurements, the model obtained is validated. The complexity of the calculations required for the determination of the pull forces in real pipes makes it necessary to use software tools to facilitate it. For this reason, two software applications are developed, one specific for rigid pipes and another one for flexible pipes. A series of strategies of how to keep low the maximum value of the cable tension are presented too. / El presente trabajo se dedica al estudio de fuerzas de arrastre de cables umbilicales de robot de inspección o desobstrucción de tuberías y tiene como objetivo la determinación de un modelo válido para el cálculo de las mismas. Para tal fin, se desarrollan los modelos físicos en relación a las fuerzas de rozamiento presentes para tramos rectos y curvas en todas sus configuraciones posibles, obteniéndose así, para cada caso, una ecuación diferencial que modela el fenómeno del rozamiento y que incluye las variables propias del fluido presente y las características pertinentes del cable. Mediante la resolución de esa ecuación diferencial, se obtiene una expresión explícita para el valor de la fuerza de rozamiento en cada caso. En el presente trabajo, el modelo obtenido es evaluado mediante comparación con el modelo simplificado tradicional de manera de ver los alcances del nuevo modelo. Se realiza también una presentación de la influencia que tiene la rigidez del cable y como esta rigidez a la flexión genera fuerzas normales adicionales en los extremos de las curvas que redundan finalmente en una componente adicional de las fuerzas de fricción. Mediante comparación con mediciones reales de fuerza de arrastre se valida el modelo obtenido Dada la complejidad de los cálculos requeridos para la determinación de las fuerzas de arrastre de tuberías reales se desarrollan dos aplicaciones de software para el cálculo de las mismas, una específica para tuberías rígidas y otra para tuberías flexibles utilizando algoritmos de cálculo basados en las ecuaciones determinadas. Son presentadas también, una serie de estrategias de forma de mantener acotado el valor máximo de la tensión de cable. Dentro de las estrategias están la elección de materiales de recubrimiento de cable que presenten un bajo coeficiente de fricción con la tubería, la adopción de cables cuyo peso específico sea tal que el peso se iguale a la fuerza de empuje y la incorporación de varios dispositivos de tracción del cable de modo de mantener bajas las contra tensiones del cable utilizando un sistema distribuido de empuje.

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