IT202100002651A1 - DEVICE FOR THE AUTOMATED MONITORING OF OCCLUSIONS IN SEWER CONDUITS - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

A corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo: ?Dispositivo per il monitoraggio automatizzato delle occlusioni in condotti fognari? Accompanying a patent application for an industrial invention entitled: ?Device for automated monitoring of blockages in sewage ducts?

Stato dell?arte State of art

Le modalit? comunemente adottate per la rilevazione ed eliminazione di occlusioni fognarie sono catalogabili in due macrocategorie. La prima, prevede interventi distruttivi, consistenti nell?apertura di alcuni anelli del condotto fognario a varie distanze in prossimit? della zona di disservizio. La seconda prevede l?inserimento di una sonda all?interno delle tubature interessate. In questa seconda categoria ? possibile prevedere l?assistenza di sistemi meccanici, robotici o meccatronici che siano in grado di far avanzare una sonda o telecamera nel condotto fognario. In quest?ultima categoria si trovano alcuni interessanti esempi in letteratura tra cui il dispositivo KANTARO che si tratta di un robot completamente autonomo capace di esplorare tubazioni complesse e contenenti curve e tombini di derivazione, sviluppato da nel 2007. Questo sistema, per la movimentazione, si affida a 4 ruote deformabili collegate da altrettante molle, cos? da potersi adattare alla superficie del tubo. Tuttavia, l?impiego di ruote crea notevoli problemi all?interno dei condotti fognari a causa della presenza di liquidi e deiezioni che possono determinare la perdita di aderenza delle ruote con conseguente mancato avanzamento del dispositivo nel condotto fognario. A differenza delle soluzioni a ruote come KANTARO, esistono in letteratura alcuni esempi di sistemi che utilizzano una locomozione peristaltica, come ad esempio, quella proposta dal sistema sviluppato da nel 2015. Questa soluzione prevede la possibilit? di aderire alle superfici dei condotti, consentendo l?avanzamento anche in presenza di dislivelli e pendenze, potendo cos? superare tratti verticali non percorribili da sistemi a ruote. Tuttavia le soluzioni peristaltiche, come quella proposta da si basano su un complesso sistema di attuazione ad alimentazione pneumatica con camere d?aria espandibili. La principale limitazione di tale sistema consiste nella scarsa stabilit? strutturale riscontrabile durante le normali condizioni di esercizio, per cui la forza esercitabile risulta molto limitata ed insufficiente a compiere lunghi tragitti nel condotto, pregiudicandone l?utilit? pratica. La soluzione denominata del 2010 consente il superamento delle problematiche esibite dal sistema peristaltico di T. Tormita. In questo caso, il prototipo ? costituito da un corpo munito di 4 cingoli indipendenti capaci di adattarsi alle pareti delle tubazioni. Le alte capacit? di manovra derivano dalla possibilit? di controllare separatamente ciascun cingolo. Il robot ? provvisto di diversi sensori, in particolare: camera CCD, sonar, sensore di temperatura, sensore chimico, sensore di distanza. Tuttavia, la soluzione proposta presenta una elevata complessit? una limitata adattabilit? a diverse geometrie e sezioni nonch? il rischio di usurare i condotti a causa degli slittamenti provocati dai cingoli durante l?avanzamento. The modalities? commonly adopted for the detection and elimination of sewer blockages can be categorized into two macro-categories. The first involves destructive interventions, consisting in the opening of some rings of the sewage duct at various distances near of the outage area. The second involves inserting a probe inside the pipes concerned. In this second category? It is possible to envisage the assistance of mechanical, robotic or mechatronic systems that are able to advance a probe or camera in the sewer duct. In the latter category there are some interesting examples in the literature including the KANTARO device which is a completely autonomous robot capable of exploring complex pipes and containing bends and manholes, developed by in 2007. This system, for handling, relies on 4 deformable wheels connected by as many springs, cos? to be able to adapt to the surface of the pipe. However, the use of wheels creates considerable problems inside the sewage ducts due to the presence of liquids and excrements which can cause the wheels to lose grip with consequent failure of the device to advance in the sewage duct. Unlike wheeled solutions such as KANTARO, there are some examples in the literature of systems that use peristaltic locomotion, such as, for example, the one proposed by the system developed by in 2015. This solution provides the possibility? to adhere to the surfaces of the ducts, allowing the advancement even in the presence of unevenness and slopes, thus being able to overcome vertical sections that cannot be traveled by wheeled systems. However, peristaltic solutions, such as the one proposed by are based on a complex pneumatically powered actuation system with expandable air chambers. The main limitation of this system consists in the poor stability? structural that can be found during normal operating conditions, so that the force that can be exercised is very limited and insufficient to complete long journeys in the duct, compromising its? usefulness? practice. The solution named in 2010 allows overcoming the problems exhibited by the peristaltic system of T. Tormita. In this case, the prototype ? consisting of a body equipped with 4 independent crawlers capable of adapting to the walls of the pipes. The high capacities? maneuver derive from the possibility? to control each track separately. The robot ? equipped with various sensors, in particular: CCD camera, sonar, temperature sensor, chemical sensor, distance sensor. However, the proposed solution presents a high complexity? a limited adaptability? to different geometries and sections as well as? the risk of wearing out the ducts due to slippage caused by the tracks during forward movement.

La letteratura presenta numerose varianti delle principali tipologie su menzionate. Ad esempio, il brevetto CN201427125Y descrive un robot avente ruote che assolvono sia al compito della locomozione che al compito della pulitura delle parti con cui si trovano a contatto. Anche il brevetto KR20190043748A mostra un robot per la manutenzione delle tubature che fa impiego di ruote. Ambedue i robot presentano lo stesso meccanismo di avanzamento sulle pareti che, secondo la letteratura ( "Development of in-pipe inspection robot: A review" 2012), ? soggetto a slittamenti e bloccaggi, problematica che viene enfatizzata all?interno di un tubo fognario, con rischio di danneggiamenti dell?intero condotto fognario ispezionati. Inoltre, le soluzioni proposte si presentano molto complesse e predisposte per funzioni aggiuntive non strettamente necessarie allo specifico compito di ispezione e identificazione di ostruzioni nel condotto fognario. Ad esempio, il brevetto CN201427125Y, prevede due ?trolley? che avanzano nel tubo, un riduttore di velocit? e una pistola a spruzzo alternativa rotativa, che non sono necessari alla funzione richiesta e che comportano un notevole incremento della complessit? e dei costi. The literature presents numerous variants of the main types mentioned above. For example, patent CN201427125Y describes a robot having wheels which perform both the task of locomotion and the task of cleaning the parts with which they are in contact. Patent KR20190043748A also shows a pipe maintenance robot that uses wheels. Both robots have the same advancement mechanism on the walls which, according to the literature ("Development of in-pipe inspection robot: A review" 2012), ? subject to slippage and blockage, a problem that is emphasized inside a sewer pipe, with the risk of damage to the entire inspected sewer pipe. Furthermore, the proposed solutions are very complex and designed for additional functions not strictly necessary for the specific task of inspection and identification of obstructions in the sewer duct. For example, patent CN201427125Y provides for two ?trolleys? that advance in the tube, a speed reducer? and a rotary reciprocating spray gun, which are not necessary for the required function and which lead to a significant increase in the complexity of the application. and costs.

Il dispositivo proposto nel presente brevetto permette di superare le limitazioni delle soluzioni esistenti con notevoli vantaggi applicativi. Il dispositivo proposto ? caratterizzato dall?implementazione di un meccanismo composto da tre o pi? manovellismi azionati da altrettanti motori, azionati in maniera semiautomatica per realizzare la locomozione anche in tubature di differente diametro. Il dispositivo ? caratterizzato da una struttura leggera e da un?elevata trasportabilit?. ? munito di specifici sensori che consentono all?operatore di individuare un?occlusione, monitorando il condotto in tempo reale, mediante una telecamera e apposita illuminazione e sensoristica in testa all?apparecchiatura. Il movimento pu? essere automatizzato o controllato manualmente per mezzo di un?apposita interfaccia utente. La soluzione proposta consente di ottenere una elevata versatilit?, leggerezza ed economicit? uniti alla possibilit? di eseguire controlli automatizzati e/o manuali a seguito dell?inserimento del dispositivo nel pozzetto fognario. The device proposed in the present patent allows the limitations of existing solutions to be overcome with considerable application advantages. The proposed device? characterized by the implementation of a mechanism composed of three or more? crank mechanisms actuated by as many motors, actuated semi-automatically to achieve locomotion even in pipes of different diameters. The device ? characterized by a light structure and high portability. ? equipped with specific sensors that allow the operator to identify an occlusion, monitoring the duct in real time, using a video camera and special lighting and sensors at the top of the equipment. The movement can be automated or controlled manually by means of a specific user interface. The proposed solution makes it possible to obtain high versatility, lightness and cost-effectiveness. combined with the possibility to perform automated and/or manual checks following the insertion of the device into the sewage pit.

Descrizione della realizzazione preferita Description of the preferred embodiment

L?invenzione ? descritta con riferimento alle Tavole da 1 a 6. The invention? described with reference to Tables 1 to 6.

La tavola 1 mostra uno schema d?insieme della parte mobile dell?invenzione proposta composta nella pratica da tre moduli: il modulo anteriore (100), il modulo centrale (101) ed il modulo posteriore (102). Table 1 shows an overall diagram of the mobile part of the proposed invention made up in practice of three modules: the front module (100), the central module (101) and the rear module (102).

La tavola 2 raffigura un esploso del modulo anteriore del robot. Il meccanismo a manovellismo di spinta che permette il bloccaggio alla parete del tubo ? rappresentato dalla manovella (3) che attraverso dei canotti (6a, b, c) ? collegata alle tre bielle (5) e infine dai tre pistoni sostituibili (4) collegati alle bielle dai tre canotti esterni (6d, e, f) e coperti da rivestimento gommato (20). La manovella (3) si incastra attraverso il foro centrale con l?albero del servomotore (2). Quest?ultimo ? fissato al coperchio anteriore (1) attraverso quattro viti (16) e dai rispettivi dadi (19). Sul coperchio anteriore (1) ? anche fissata una scheda regolatrice di tensione, il cui ingombro massimo ? rappresentato da (13), ed ? fissata da due viti (15) con rispettivi dadi (18). La sensoristica prevede un sensore di temperatura (12), un sensore per misurare la distanza frontalmente al robot (9) e una camera (10) a cui si aggiunge un sistema di illuminazione a led (11). Il sensore di temperatura (12) ? incollato alla faccia piana interna del coprisensori (8). Anche il sensore ad ultrasuoni (9) ? incollato alla faccia piana interna del coprisensori come anche la camera e il sistema di illuminazione. Il sensore ad ultrasuoni (9) ? montato con emettitore e ricevitore sporgenti dai fori pi? vicini tra loro sul coprisensori (8), il sistema di illuminazione presenta l?estremit? dei led uscente dall?unica asola sul coprisensori mentre la camera presenta la parte ottica sporgente dal foro intuibile dall?esploso. Il coprisensori (8) ? fissato tramite viti (14) e dadi (17) al pezzo (7) e poi al coperchio (1). Table 2 shows an exploded view of the front module of the robot. The push crank mechanism that allows locking to the wall of the pipe? represented by the crank (3) which through the dinghies (6a, b, c) ? connected to the three connecting rods (5) and finally by the three replaceable pistons (4) connected to the connecting rods by the three outer sleeves (6d, e, f) and covered by a rubber coating (20). The crank (3) fits through the central hole with the shaft of the servomotor (2). The latter ? fixed to the front cover (1) with four screws (16) and the respective nuts (19). On the front cover (1) ? also fixed a voltage regulator card, whose maximum size ? represented by (13), and ? fixed by two screws (15) with respective nuts (18). The sensors include a temperature sensor (12), a sensor for measuring the distance in front of the robot (9) and a room (10) to which is added a LED lighting system (11). The temperature sensor (12) ? glued to the internal flat face of the sensor cover (8). Also the ultrasonic sensor (9) ? glued to the internal flat face of the sensor cover as well as the camera and the lighting system. The ultrasonic sensor (9) ? mounted with the emitter and receiver protruding from the holes pi? close together on the sensor cover (8), does the lighting system have the end? of the LEDs coming out of the single slot on the sensor cover while the camera has the optical part protruding from the hole that can be guessed from the exploded view. The sensor cover (8) ? fixed by means of screws (14) and nuts (17) to the piece (7) and then to the cover (1).

La tavola 3 rappresenta il corpo centrale dell?invenzione nel quale trova alloggiamento il servomotore (3) responsabile dell?avanzamento. Il motore ? fissato tramite dei supporti (11) al piatto (5) tramite viti M3x30 (14) e relativi dadi (7). Il piatto possiede delle sedi per il montaggio a pressione delle guide lineari (1). Il secondo piatto (4) presenta i fori progettati per il passaggio delle guide lineari. Il movimento ? trasmesso dal motore grazie ad una catena cinematica composta dal componente (13), che si incastra all?interno della manovella (8) ed ? fissato da una vite M2 (10). La manovella ? connessa ad una biella (2) tramite un perno di giunzione (9b). La biella ? accoppiata alla staffa (12) con un ulteriore perno (9a). La staffa trasmette il moto al piatto (4), al quale ? accoppiata con viti M3x12 (6d, 6e, 6f, 6g) e relativi dadi. Completano questo assieme viti M3x12 (6a, 6b, 6c, 6h, 6i, 6l) e relativi dadi che consentono l?accoppiamento con i moduli descritti dalle tavole 2 e 4. Table 3 represents the central body of the invention in which the servomotor (3) responsible for the advancement is housed. The engine ? fixed by means of supports (11) to the plate (5) by means of M3x30 screws (14) and relative nuts (7). The plate has seats for press-fitting the linear guides (1). The second plate (4) has holes designed for the passage of the linear guides. The movement ? transmitted by the engine thanks to a kinematic chain made up of the component (13), which fits inside the crank (8) and ? fixed by an M2 screw (10). The crank? connected to a connecting rod (2) via a joint pin (9b). The connecting rod? coupled to the bracket (12) with an additional pin (9a). The stirrup transmits motion to the plate (4), to which ? coupled with M3x12 screws (6d, 6e, 6f, 6g) and relative nuts. This assembly is completed by M3x12 screws (6a, 6b, 6c, 6h, 6i, 6l) and relative nuts which allow coupling with the modules described in tables 2 and 4.

La tavola 4 mostra le componenti che costituiscono il modulo posteriore. In figura ? rappresentato il carter (9) contenente gli organi meccanici che garantiscono la trasmissione di potenza ai pistoni sostituibili (8). Questa struttura ? appositamente ideata per permettere il fissaggio del motore (6) attraverso bulloneria M3 costituita dalle viti (5) e dai dadi (12). La trasmissione avviene tramite la manovella (4), fissata al motore tramite viti M2 (3), e le bielle (2) giuntate con appositi canotti (1) sia ai pistoni sostituibili che alla manovella. All?estremit? dei pistoni sono fissati dei rivestimenti gommati (7) atti a migliorare la presa del robot sulla parete. Nella parte opposta del carter invece si trova la scheda (10) ancorata con viti (13), cui vengono effettuate tutte le connessioni elettriche che si ramificano nel robot. Insieme alla scheda, si pu? trovare anche la batteria (11), in caso di alimentazione on board. Il tutto viene protetto dal coperchio (14), fissato con viti mordenti (15) al carter. Table 4 shows the components that make up the rear module. In the picture? shown is the crankcase (9) containing the mechanical parts which guarantee the transmission of power to the replaceable pistons (8). This structure? specially designed to allow the motor (6) to be fixed using M3 bolts made up of screws (5) and nuts (12). The transmission takes place via the crank (4), fixed to the engine by M2 screws (3), and the connecting rods (2) joined with special sleeves (1) both to the replaceable pistons and to the crank. At the end rubber coatings (7) are fixed to the pistons to improve the grip of the robot on the wall. On the opposite side of the casing, on the other hand, there is the board (10) anchored with screws (13), to which all the electrical connections that branch out into the robot are made. Together with the card, you can? also find the battery (11), in case of on-board power supply. The whole is protected by the cover (14), fixed to the crankcase with self-tapping screws (15).

La tavola 5 mostra i membri che compongono il sistema di controllo. Il contenitore base (3) ? provvisto di fori necessari al cablaggio di potenza e di controllo, inoltre, presenta delle sedi per poter accogliere la scheda di controllo (1), il vano batteria (4) con la batteria (5) lasciando la presa dell?alimentazione e la porta USB accessibili. Il contenitore base ? inoltre munito di una sede per poter montare lo switch (6) tramite bulloneria M3 (11), (10), per consentire la scelta di fornire corrente alla scheda per mezzo della batteria da 9V (5) o da un alimentatore esterno non rappresentato e di un coperchio a pressione (7). Quest?ultimo (7) presenta 4 fori nei quali ? previsto il montaggio di 3 interruttori monostabili normalmente aperti (9) e di un interruttore ?a fungo? di emergenza (8). La scheda di controllo (1) ? provvista di una base ?mille fori? (2) utile per i collegamenti elettrici tramite cavi. Table 5 shows the members that make up the control system. The basic container (3) ? provided with holes necessary for the power and control wiring, moreover, it has seats to accommodate the control card (1), the battery compartment (4) with the battery (5) leaving the power socket and the USB port accessible. The basic container? also equipped with a seat to be able to mount the switch (6) using M3 bolts (11), (10), to allow the choice of supplying current to the board by means of the 9V battery (5) or from an external power supply not shown and of a pressure lid (7). The latter (7) has 4 holes in which ? foreseen the assembly of 3 normally open monostable switches (9) and a ?mushroom? emergency (8). The control card (1) ? equipped with a ?thousand holes? (2) useful for electrical connections via cables.

La tavola 6 mostra il manovellismo presente nel modulo di testa e nel modulo posteriore che permette il bloccaggio ciclico durante l?avanzamento all?interno del tubo. La manovella (1), mossa dal servo, ? collegata attraverso 3 canotti (2a, 2b, 2c) a delle bielle (3a, 3b, 3c). Queste sono collegate attraverso altri 3 canotti ai pistoni (4a, 4b, 4c) che sono coperti da dei rivestimenti gommati (5a,5b,5c). Table 6 shows the crank mechanism present in the head module and in the rear module which allows the cyclic blocking during the advancement inside the tube. The crank (1), moved by the servo, ? connected through 3 sleeves (2a, 2b, 2c) to connecting rods (3a, 3b, 3c). These are connected through 3 other sleeves to the pistons (4a, 4b, 4c) which are covered by rubber linings (5a, 5b, 5c).

La presente invenzione ? descritta con riferimento ad una forma predefinita di realizzazione. ? da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscano al medesimo nucleo inventivo, come definito nell?ambito di protezione delle rivendicazioni dichiarate. The present invention ? described with reference to a predefined embodiment. ? it should be understood that there may exist other embodiments which pertain to the same inventive core, as defined in the scope of protection of the declared claims.

Claims (5)

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo automatico, semi-automatico o manuale per il rilevamento di ostruzioni all?interno di tubature fognarie, costituito, da un modulo anteriore (100), un modulo posteriore (102), e un modulo centrale (101), in grado di realizzare la locomozione mediante l?aggrappaggio a pareti di tubature di diverso diametro ed il moto relativo tra il modulo anteriore (100) e posteriore (102), composti, nella loro realizzazione preferita, dai componenti illustrati nelle tavole 1, 2, 3, 4, 5 e 6; 1. Automatic, semi-automatic or manual device for detecting obstructions inside sewer pipes, consisting of a front module (100), a rear module (102), and a central module (101), capable of carry out the locomotion by clinging to the walls of pipes of different diameters and the relative motion between the front (100) and rear (102) modules, composed, in their preferred embodiment, of the components illustrated in tables 1, 2, 3, 4 , 5 and 6; 2. Dispositivo automatico, semi-automatico o manuale, come da rivendicazione 1, in cui ? presente un modulo anteriore (100), dotato di un meccanismo di aggrappaggio alle pareti di tubature, adattabile a diametri differenti, composto dai membri (3)(5a)(5b)(5c)(4a)(4b)(4c) e attuato dal servomotore (2), disposto come mostrato in Tavola 2,2. Automatic, semi-automatic or manual device, as per claim 1, wherein ? present a front module (100), equipped with a mechanism for gripping the walls of pipes, adaptable to different diameters, composed of members (3)(5a)(5b)(5c)(4a)(4b)(4c) and implemented by the servomotor (2), arranged as shown in Table 2, 3. Dispositivo automatico, semi-automatico o manuale, come da rivendicazione 1, in cui ? presente un modulo centrale (101) di locomozione, realizzata mediante meccanismo di avanzamento e composto, nella sua realizzazione preferita, dai membri (13)(8)(2) costituenti da un meccanismo a lunghezza variabile, attuato dal servomotore (3), come mostrato in Tavola 3;3. Automatic, semi-automatic or manual device, as per claim 1, wherein ? there is a central locomotion module (101), made by means of an advancement mechanism and composed, in its preferred embodiment, of the members (13)(8)(2) constituting a variable length mechanism, actuated by the servomotor (3), as shown in Table 3; 4. Dispositivo automatico, semi-automatico o manuale, come da rivendicazione 1, in cui ? presente un modulo posteriore (102), contenente il meccanismo di aggrappaggio posteriore alle pareti di tubature adattabile a diametri differenti, composto dai membri (4)(2a)(2b)(2c)(8a)(8b)(8c) e attuato da un servomotore (6) collegati come mostrato in Tavola 4,4. Automatic, semi-automatic or manual device, as per claim 1, wherein ? there is a rear module (102), containing the rear gripping mechanism to the walls of pipes adaptable to different diameters, composed of members (4)(2a)(2b)(2c)(8a)(8b)(8c) and actuated by a servomotor (6) connected as shown in Table 4, 5. Dispositivo automatico, semi-automatico o manuale, come da rivendicazione 1, 2, 3, 4 dotato di sensori in testa tra cui i sensori di misura della distanza dall?ostacolo o ostruzione (9), una telecamera (10), un sensore di temperatura (12) di Tavola 2, potendosi prevedere ulteriore sensoristica di ispezione; i sensori sono gestiti dalla scheda di controllo e interfaccia utente (1) come mostrato in Tavola 5. 5. Automatic, semi-automatic or manual device, as per claim 1, 2, 3, 4 equipped with sensors in the head including sensors for measuring the distance from the obstacle or obstruction (9), a camera (10), a temperature sensor (12) of Table 2, since further inspection sensors can be provided; the sensors are managed by the control board and user interface (1) as shown in Table 5.