L'ispezione tramite robot è uno dei compiti robotici più importanti. Oltre a considerazioni di costo-efficacia, spesso non c'è altra alternativa che inviare un robot nell'area di interesse. Le statistiche distinguono le diverse aree di applicazione dei robot, che portano a design distintivi per quanto riguarda le loro dimensioni, la mobilità, l'agilità, l'uso di attrezzature di sensori e la modalità operativa (da teleoperata a completamente autonoma).
Tipi di operazioni effettuate dai robot
Il funzionamento e la produttività di attrezzature e infrastrutture costose, come edifici, ponti, impianti e installazioni offshore, devono essere garantiti. I robot per questa area di applicazione tipicamente eseguono l'acquisizione regolare di qualsiasi dato o l'esecuzione di semplici operazioni fisiche, come azionare interruttori, valvole o maniglie.
Le seguenti caratteristiche dei robot possono essere osservate in quest'area:
- Base mobile: Tipicamente su ruote o cingolati in diverse dimensioni per ambienti difficili. Su piccola scala, la mobilità ingegneristica dei robot, i meccanismi basati su gambe multiple, magneti, aspirazione, rotori (per creare un ascensore), ecc..
- Sensori: I sensori per un'applicazione specifica sono installati su una base mobile o un braccio robotico con vari gradi di libertà (da semplici blocchi rotazionali a braccia robotiche complete); per aumentare la destrezza cinematica.
- Unità di comunicazione per la teleoperazione o la trasmissione del segnale del sensore.
- Centri operativi per il monitoraggio e la documentazione dell'esecuzione dei compiti del robot per pianificare, operare direttamente o telecontrollare il robot.
Impianti ed edifici industriali
Fin dai primi anni '90, i fornitori di impianti industriali su larga scala, come Hitachi, Mitsubishi e Toshiba, si sono interessati ai robot mobili per l'ispezione e il monitoraggio automatico di impianti e attrezzature industriali. In genere, si trattava di sistemi mobili autonomi (che spesso correvano lungo binari/linee preparate) dotati di sensori e trasmissioni radio per raccogliere dati rilevanti. Numerose piattaforme mobili, su ruote o cingolate, sono dotate di sensori a bordo o parzialmente guidate da manipolatori per l'uso in ambienti industriali. La sovrapposizione con i robot di sorveglianza è evidente.
Recentemente, l'uso di robot mobili con più gambe è aumentato con il robot Spot di Boston Dynamics, che è usato, per esempio, da Ford per la scansione dell'impianto prima di una riprogettazione, e con ulteriori sviluppi del robot Anymal di Anybotics.
Sankyo (Giappone) ha introdotto un robot per navigare sotto edifici, uffici e, essenzialmente, qualsiasi altro luogo di residenza per controllare i danni strutturali. Ospita sensori integrati che gli permettono di evitare gli ostacoli mentre è in servizio. Un simile robot mobile autonomo per il monitoraggio delle condizioni delle camere bianche (ad esempio, per gli impianti di semiconduttori) è stato introdotto da MetraLabs. Queste modalità robotiche tipicamente fanno attenzione ai pericoli, monitorano le condizioni ambientali, come la qualità dell'aria, le radiazioni e il fumo, controllano gli edifici, così come ispezionano i siti di problemi remoti per ridurre le visite in loco da parte degli umani. La loro controparte in ambienti clinici o altri ambienti pubblici è il robot di disinfezione UV.
L'ispezione remota e autonoma di attrezzature offshore o di impianti chimici impone ulteriori requisiti per la progettazione a prova di esplosione di un robot. Un esempio è il MIMROex, un prototipo di robot di ispezione progettato dal Fraunhofer IPA. È dotato di un braccio robotico che porta una telecamera per l'ispezione visiva, così come vari sensori di applicazione, come microfoni, gas, sensori di fuoco e scanner laser. Il robot può essere impostato in modalità remota o autonoma, quest'ultima permette una guida sicura attraverso gli impianti industriali, il che significa che il robot si fermerà o intraprenderà azioni evasive, se le persone camminano sul suo percorso o se incontra ostacoli fissi o mobili. È dotato di un braccio robotico su cui è montata una telecamera per l'ispezione visiva, oltre a vari sensori applicati come microfoni, gas, sensori antincendio e scanner laser.
Gli sviluppi futuri mirano all'intervento fisico con l'attrezzatura di processo tramite il prelievo di campioni, la rotazione di valvole, la pulizia di piccole ostruzioni e persino l'azionamento di pannelli di controllo.
Generazione di energia e infrastruttura delle linee elettriche
La sorveglianza delle sottostazioni elettriche, delle sottostazioni elettriche, delle linee di trasmissione aerea ad alta tensione e delle centrali elettriche ha bisogno di monitoraggio e ispezione regolari. Nell'industria idroelettrica, l'ispezione in situ e i lavori di manutenzione di canali di turbina, condotti, tubi, ecc. sono di grande importanza, ad esempio per rilevare cavitazione, danni e crepe. Uno studio del 2018 ha identificato l'ispezione robotica delle linee di trasmissione come l'applicazione più vantaggiosa per questo settore.
L'uso dei robot nell'industria elettrica si concentra ancora principalmente sullo sviluppo di robot teleoperati per la manutenzione e l'ispezione delle linee elettriche sotto tensione. In alternativa al lavoro di ispezione manuale/visiva, i robot e i veicoli terrestri senza equipaggio (UGV) sono stati introdotti in questi ambienti per risparmiare tempo e sforzi preziosi nel processo di ispezione.
Lo Scompi è un robot miniaturizzato a 6 gradi di libertà, basato su binari, per l'ispezione delle turbine idrauliche sviluppato da Hydro Québec. Una serie di robot d'ispezione in miniatura è stata sviluppata congiuntamente dall'ETH di Zurigo e da Alstom Inspection Robotics (ora Inspection Robotics e di proprietà di Waygate Technologies). Questi dispositivi possono muoversi autonomamente o semi-autonomamente su un ampio spettro di superfici e strutture diverse, come rotori, navi o tubi. Ancora oggi, Inspection Robotics sviluppa e vende diversi robot di ispezione per varie applicazioni.
I dispositivi robotizzati sono stati introdotti con successo per valutare le linee elettriche in tensione alla ricerca di difetti, come corrosione, degrado o danni meccanici. Le applicazioni specifiche includono il controllo delle giunzioni a compressione per la degradazione meccanica misurando la resistenza, rilevando la corrosione in un nucleo di acciaio del filo di alluminio rinforzato con acciaio, o utilizzando l'imaging a infrarossi per rilevare possibili difetti nei componenti della linea elettrica.
Hydro-Québec's LineRanger è un robot di ispezione presentato nel 2019 dotato di telecamere e un imager termo-infrarosso. Il robot telecomandato è stato segnalato per fare ispezione e manutenzione su linee ad alta tensione (2.000 ampere, 735 kilovolt). Utilizza telecamere per ispezionare le condizioni della linea e scoprire irregolarità, mentre impiega anche un sistema di navigazione intelligente per individuare le posizioni che necessitano di attenzione.
LineROVer è stato specificamente utilizzato, dalla stessa azienda, come strumento di sghiacciamento per i fili aerei di terra e i conduttori; ed è stato riferito che può anche attraversare grandi ostacoli. Inoltre, l'azienda HiBot e l'Electric Power Research Institute negli Stati Uniti hanno sviluppato robot di ispezione delle linee elettriche. Il robot Ti dell'Electric Power Research Institute è dotato di telecamere visive e a infrarossi ad alta definizione. Il robot ispeziona le corsie di destra della strada e i componenti e determina le distanze tra le linee elettriche e gli alberi. Il Ti può viaggiare ad una velocità fino a 5 miglia all'ora. Robot d'ispezione della SMP Robotics Systems Corp. Si tratta di un veicolo terrestre senza equipaggio dotato di una serie di sensori, a seconda dell'applicazione specifica, per condurre l'ispezione a immagini termiche di sottostazioni elettriche o per rilevare perdite di gas. È dotato di un'unità di elaborazione grafica (GPU) per applicare algoritmi di apprendimento automatico all'analisi dei dati.
Oltre ai robot di terra e di linea elettrica, anche i robot aerei come la soluzione drone Sparrow di Percepto o Elios 2 di Flyability guadagnano più interesse.
Una nuova categoria di robot d'ispezione è stata introdotta per le pale delle turbine eoliche in modo che il degrado delle pale dovuto alla fatica o agli incidenti naturali possa essere trovato prima che si verifichi un guasto o una rottura catastrofica.
Considerazioni sui costi-benefici e sfide di marketing
I robot sono un modo per sollevare il lavoratore umano dall'esposizione a potenziali pericoli, in particolare in ambienti caratterizzati da minacce biologiche, chimiche e nucleari. Inoltre, il costo delle operazioni umane può essere piuttosto costoso. Le piattaforme offshore sono uno degli ambienti di lavoro più costosi in quanto la logistica, i ritmi di lavoro, la sicurezza e i costi di qualificazione fanno parte dei costi generali estremi. L'introduzione di robot sulle piattaforme offshore e negli impianti chimici per assumere il controllo di lavori di routine come l'ispezione e la manutenzione, sia teleoperata che autonoma, può comportare brevi periodi di guadagno.
Per esempio, con oltre 300.000 km di linee di trasmissione negli Stati Uniti, l'ispezione delle linee di trasmissione è una proposta costosa e talvolta pericolosa. La corrosione e l'affidabilità delle linee elettriche aeree è un problema industriale considerevole. Man mano che i beni delle linee di trasmissione invecchiano, ottenere dati sulle loro condizioni è necessario per mantenere un'alta affidabilità. I danni interni dei fili di alluminio e dei rigonfiamenti sono dovuti alla corrosione e ai difetti interni dei cavi. L'impiego di robot per l'ispezione delle linee di trasmissione insieme a una nuova generazione di sensori RF a basso costo può consentire agli operatori del sistema di ottenere in remoto una conoscenza dettagliata e aggiornata dei componenti delle linee di trasmissione e delle condizioni del diritto di passaggio, aumentando l'affidabilità e riducendo i costi di funzionamento e manutenzione. In alcuni casi, l'acquisto dei robot per rimandare la manutenzione può spostare i costi di funzionamento e manutenzione verso i costi di capitale, permettendo un ritorno sull'investimento e l'ammortamento.
In generale, l'uso dei robot nell'ispezione e nella manutenzione è stato al di sotto del suo potenziale negli ultimi anni. Iniziative come la Sprint Robotics Collaborative mirano a raggiungere l'uso sul campo della robotica per l'ispezione e la manutenzione di beni infrastrutturali ad alta intensità di capitale su larga scala entro i prossimi dieci anni. Questa iniziativa, formata da diversi grandi proprietari di beni dell'industria petrolchimica, sostiene che l'uso della robotica nell'ispezione tecnica e nella manutenzione di impianti infrastrutturali ad alta intensità di capitale è vitale a causa della necessità di minimizzare l'impatto sulla sicurezza e sull'ambiente. Inoltre, l'ispezione tecnica robotizzata e la manutenzione possono ridurre il tempo di arresto, prevenire l'intrusione umana sulle navi e altre attrezzature, oltre a ridurre i costi associati ai servizi necessari per garantire