KR20230031206A - 개선된 로봇 인라인 파이프 검사 시스템 및 장치 - Google Patents

Abstract

자율 로봇 능동 가스 운반 파이프라인 시험 시스템은: 파이프라인 내에서 흐르는 가스 흐름 내에서 이동할 수 있는 원격 제어 로봇 조립체로서, 상기 가스 흐름은 동적 흐름 에너지(dynamic flow energy)를 나타내는, 로봇 조립체, 가스 흐름에 반응하는 소형 회전 터빈, 상기 터빈에 반응하는 발전기, 상기 발전기에 반응하는 배터리, 상기 조립체를 이동시키기 위해 상기 발전기에 반응하는 구동 견인 수단을 포함하며, 상기 시스템은 상기 배터리의 충전 및/또는 상기 구동 견인 수단의 작동 중 어느 하나 또는 둘 다를 위해 상기 동적 흐름 에너지를 수확할 수 있다.

Description

개선된 로봇 인라인 파이프 검사 시스템 및 장치

이 출원은 천연가스 파이프라인 등의 내부 벽들의 검사를 위한 원격 제어 로봇에 관한 것이다.

천연가스 파이프라인 등의 내부 벽들의 검사를 위한 원격 제어 로봇은 하나 이상의 배터리들을 사용하는데, 제한된 배터리 수명은 주기적인 재충전을 요구한다. 로봇 조립체 또는 그 부품들은 제거되거나 접근되어야 하며, 이는 배터리에 접근하기 위해서 가스 파이프라인의 부분의 개방을 요구한다.

이러한 사실은, 서명된 발명자들에 의해 본 발명이 만들어질 때까지, 이와 관련하여 이러한 로봇들의 보다 광범위하고 효율적인 사용을 방해해 왔다. 배터리를 더 자주 재충전하는 데 필요한 정지 시간은 검사 시간과 효율성의 손실로 이어진다.

천연가스 파이프라인 등에서, 파이프 내부를 흐르는 가스 또는 유체는 자연 동적 에너지를 수반한다. 본 발명의 목적은 가스 흐름과 관련된 동적 에너지를 수확하고 수확된 에너지를 전체 로봇 조립체의 이동 및/또는 배터리 충전 중 하나 또는 둘 다를 위해 사용하는 것이다. 이는 관련 발전기를 자율적으로 구동시키기 위해 상대적으로 작은 psi의 압력 차이를 요구하는 적어도 하나의 압력 강하 응답 터빈(pressure drop-responsive turbine)에 의해 성취된다. 비교적 상당한 기능 기간에 걸쳐 로봇 배터리를 제거하거나 배터리에 접근할 필요가 없다. 그리고, 모든 것들이 자율적으로 성취된다.

본 발명의 또 다른 목적 및/또는 특징은 여기에서 전개 가능하고 접을 수 있는 장벽(barrier)으로 지칭되는 것을 제공하는 것이며, 이 장벽은 장벽을 가로지르는 압력 강하를 자율적으로 제어할 수 있다. 상기 장벽의 끝단은 실질적으로 끌림(drag)이 없는 방식으로 파이프 내부 벽들에 접촉하거나 장벽 끝단과 파이프 내부 벽 사이의 갭 형성을 용이하게 하도록 자동 및 자율적으로 조절 가능하다. 배터리, 장벽, 에너지 수확 터빈, 및 관련 발전기 기능은 서로 관련되어, 동적 가스 흐름 에너지를 수확하고 수확된 에너지를 사용하여 파이프 내에서 견인력으로 로봇을 구동시키며, 및/또는 필요에 따라 배터리를 충전시킨다. 본 발명은 배터리로부터 에너지를 빼낼 필요 없이 수확된 가스 흐름 에너지를 사용하여 로봇 조립체를 구동시킬 수 있다.

본 발명의 추가적인 특징 및 목적은 무엇보다도 파이프 내부 장애물 검출, 굴곡부(bend) 검출, 티(tee) 검출, 및 다른 미리 정의되거나 미리 정의되지 않은 특징부들(features)의 존재를 포함하는 새로운 자동화 컴퓨터-구동되는 특징부 인식 능력의 제공을 포함한다.

본 발명의 범위는 천연가스 및 다른 가스뿐만 아니라 다른 유체 및 가능한 액체를 운반하는 파이프를 검사하는 데 사용하기 위한 대상 기술을 고려한다. 카메라와 같은 하나 이상의 유형의 감지 수단을 이용하는 것도 고려된다.

본 특허 명세서의 독자는 본 발명의 목적과 목표들 중, 천연가스 공급용 파이프와 같은(이에 제한되지 않음) 모든 종류의 파이프 인라인 검사를 위해 로봇을 사용하기 위한 종래 기술의 수단과 관련된 작동 복잡성을 감소시키기 위한 새롭고 개선된 시스템 및 장치를 제공하는 것임을 인식하기를 희망한다. 이는 본 발명에 따른 새로운 방법 및 장치를 사용하여 달성된다.

본 발명을 사용하여 달성된 목표들 중에는, 로봇 범위의 증가의 실현, 전개 비용의 감소, 현장 인력의 필요성 감소, 사용 가능한 파이프라인 평가 데이터의 품질 향상, 및 사용된 로봇의 견고성 강화가 있다.

또한, 본 발명은, 바람직하지만 필수는 아닌 실시예에서, 에너지 수확 서브시스템 및 장치의 사용을 통합함으로써 장거리 무선 통신의 증가를 가능하게 한다.

여기에서 개시된 발명들 중에서, 본 발명은 예를 들어 다양한 크기의 "피깅할 수 없는(unpiggable)" 천연가스 파이프라인의 검사를 위한 신규한 새로운 로봇 인라인 검사 시스템 및 장치를 교시한다. 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서 6인치 내지 36인치의 파이프 직경에 초점을 맞추는 것이 바람직하지만 이러한 출원에서 필수적인 것은 아니다.

본 발명은 이러한 환경에서 성공적으로 수행할 수 있는 로봇 개발의 진행 중인 발전의 최신을 나타낸다. 예를 들어, 이와 관련하여 InvoDane Engineering과 Northeast Gas Association의 상당한 노력은 여기에서 인정되어야 한다.

본 발명자들은 본 명세서에서 "언피거블(unpiggable)"이라는 용어를 사용하기로 선택했지만, 이 용어 및 그 사용에 논란이 없었던 것은 아니라는 점을 인정한다. 국제 파이프라인 연구 위원회(PRCI: Pipeline Research Council International)는 이를 사용하지 않기로 결정했다. 본 발명은, 인라인 검사를 위해 설계되지 않았고 이에 따라 하나 이상의 유형의 어려움 또는 미지수를 가지는 노후된 파이프라인 내에서 완전히 기능할 수 있다고 말하는 것으로 충분하다. 이러한 오래된 파이프라인은 많은 곳에서 침식과 부식에 굴복했다.

본 발명은 언피거블 파이프라인과 함께 사용하기 위한 안전한 파이프라인 무결성 관리 시스템의 제공을 용이하게 하며, 그 특성상 반복적인 손상 메커니즘뿐만 아니라 접근의 어려움을 포함하는 과제를 제시한다. 이는 파이프라인 구성을 변경할 필요 없이 수행된다. 이 시스템은 본질적으로 안전하고 쉬운 로봇 론칭(launching) 및 원활한 실행을 제공한다.

본 발명은 당업계에 공지된 것보다 훨씬 더 오래 파이프 내에 머물 수 있고 더 적은 조작자 제어 또는 입력으로 더 멀리 이동할 수 있는 장거리 로봇을 제공한다. 이는 매우 중요한 파이프라인 정보를 수집할 수 있도록 한다.

본 발명의 중요한 바람직한 실시예는 여기에서 에너지 수확 시스템이라 불리는 것을 제공하는 것을 포함한다. 이 실시예는 로봇이 로봇을 견인하고 충전하기 위해 파이프라인 내에서 예를 들어 천연가스의 흐름을 실제로 활용할 수 있게 한다. 천연가스가 이러한 흐름의 예로서 제시되지만, 본 발명은 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 임의의 수의 가스 및/또는 유체를 사용하여 이러한 에너지 수확의 사용을 고려한다.

추가적으로, 본 발명은 로봇이 파이프라인 내에 있는 시간의 양이 증가되도록 종료점까지 미리 프로그래밍될 수 있는 파이프라인 내에 로봇의 배치를 교시한다. 이는 더 긴 검사 실행, 더 적은 굴착 및 인건비 절감을 허용한다.

본 발명의 또 다른 중요한 특징 및 초점은 로봇의 자율적 작동의 증가를 제공한다는 것이다. 이는, 로봇의 일관되지 않고 덜 효율적인 제어로 이어지는 것으로 알려져 있는, 고도로 훈련된 직원의 "수동" 역할을 줄일 수 있게 한다. 이 특징은 전체 로봇 모니터링과 무선 통신 대역폭을 감소시키거나 없앨 수 있게 한다. 그리고, 훈련된 인력의 "집단(army)"을 훈련시키고 유지하는 데 요구되는 시간과 에너지가 사실상 감소하거나 제거된다.

컴퓨터 자동화, 특징부 인식, 운전-보조, 파이프라인의 매핑(mapping), 및 전체 시스템 시험 및 평가를 제공하는 것이 본 발명에 의해 추가로 고려된다.

도 1은 본 발명에 따른 로봇 시스템의 측면도이며;
도 2은 터빈, 발전기 및 장벽이 표시된, 로봇 시스템의 다른 도면이며;
도 3a는 본 발명에 따른 발전기 터빈과 장벽의 사시도이며;
도 3b는 도 3a의 구성요소들의 단부 단면도이며;
도 4는 본 발명의 구성요소들의 개략도이며;
도 5는 도 4와 유사한 개략도이며;
도 6은 로봇 구동 바퀴들과 이들의 전개를 도시하며;
도 7은 본 발명에 따른 접이식 장벽을 접힌 구성과 전개된 구성으로 도시하며;
도 8은 로봇 시스템의 조절기 출구와 터빈 출구의 사시도이며;
도 9는 본 발명의 모듈들을 접힌 구성과 전개된 구성으로 도시하고, 본 발명의 모듈식 설계를 도시하며;
도 10은 천연가스를 운반하는 파이프 내의 가스의 흐름에 관하여 도시된, 본 발명의 댐퍼 플레이트를 도시하며;
도 11은 도 10의 댐퍼 플레이트의 대안을 도시하며;
도 12는 본 발명의 압력 조절기 특징을 도시하며;
도 13은 본 발명의 압력 조절기 메커니즘의 사시도이며;
도 14는 도 13의 조절기 메커니즘의 측단면도이며;
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예의 압력 조절 밸브 작동을 개략적으로 도시하며;
도 16은 본 발명에 따른 터빈 모듈을 3차원 사시도로 도시하며;
도 17은 도 16의 모듈의 측단면도이며;
도 18은 본 발명에 따른, 접히고 전개된 장벽 모듈의 집합도이며;
도 19는 본 발명에 따른 3차원 입체 카메라의 사시도이며;
도 20은 가스 운반 가스 파이프 내부에서 도 19의 카메라가 본 것을 보여주는 시차 맵을 도시하며;
도 21은 본 발명에 따른 노이즈 임계값 설정을 도시하며;
도 22는 로봇이 가스 파이프 내부에서 이동할 때, 본 발명에 의해 용이하게 되는 파이프 굴곡부 검출을 보여주며;
도 23은 파이프 티를 검출하고 검사하는 본 발명의 로봇 시스템의 능력을 도시하며;
도 24는 본 발명에 의해 가능한 파이프라인 매핑 출력의 예시이며;
도 25는 본 발명의 GPS 위치 측정 능력을 도시하며;
도 26은 중력 벡터 측정을 이용하여 본 발명의 로봇 시스템의 위치 추적을 가능하게 하는 방법의 특성을 도시한 도면이며;
도 27은 본 발명의 로봇 시스템의 부분으로서 IMU 유닛의 장착을 도시하며;
도 28은 자이로콤파싱이 사용된 파이프라인 개관을 개략적인 방식으로 도시하며;
도 29는 본 발명에 따른 플러그 밸브의 단면도이며;
도 30-33은 본 발명에 따른 로봇 플러그 구성을 도시하며;
도 34는 본 발명에 따른 구동 모듈을 사시도로 도시하며;
도 35는 본 발명에 따른, 바퀴들을 가진 구동 트랙들을 도시하며;
도 36은 본 발명에서, 구동 트랙 상의 주행 거리계 바퀴를 도시하며;
도 37은 구동 트랙을 파이프 내부 벽에 대해 가압하는 액추에이터를 개략적인 측면도로 도시하며;
도 38은 본 발명에 따른 구동 바퀴, 허브 및 타이어의 개략도를 도시하며;
도 39는 본 발명의 배터리들의 분배를 도시하며;
도 40-44는 본 발명의 로봇 구성요소들을 분해하여 도시하며;
도 45는 본 발명에 따른 조립된 로봇 시스템의 사시도이며;
도 46-51은 청소될 파이프라인과 관련하여, 로봇 시스템의 파이프 청소 요소를 도시하며;
도 52-59는 도 46-51의 파이프 청소 모듈 내에 사용되는 와이어 브러시 및 샌딩 요소들을 도시하며;
도 60-84는 본 발명에 따른 로봇 시스템 내에 통합될 수 있는 파이프라인 청소 장치를 도시한다.

에너지 수확 기능(Energy Harvesting Feature):

본 발명의 주된 목적들 중 하나는 로봇에 에너지 수확 능력을 가진 모듈을 제공하는 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "에너지 수확"이라는 용어는 검사될 파이프라인 내부의 바로 그 가스 흐름으로부터 에너지를 수확하는 것을 포함하는 것을 의미한다. 이러한 모듈은, 예를 들어, 그러나 이에 제한되지 않는, 20인치와 26인치 내경의 파이프라인들 내부에서 작동할 로봇들에 통합되도록 설계되었다.

이 접근 방식은 부분적으로 로봇 전체에 걸쳐 차압(differential pressure)의 생성에 의존한다. 이러한 차압을 생성하기 위해, 로봇은 주위의 가스 흐름을 제한하고 조절하는 능력을 가진다. 이러한 차압의 증가는, 도 1에 도시된 바와 같이, 흐름의 방향으로 견인력(tow force)을 발생시킨다. 로봇이 가스 흐름의 방향으로 이동할 때, 견인력은 구동 모듈들의 전력 소비를 감소시킨다. 가스 흐름을 사용하여 배터리 소모를 더 감소시키고 로봇 배터리를 충전할 수 있기 위해서는, 전력을 생성할 필요가 있다. 이는, 도 2에 도시된 바와 같이, 발전기에 부착된 터빈의 추가에 의해 용이하게 된다.

목표 요건(Target Requirement): 아래의 표 1은 목표 요건 및 예상 작동 범위를 제시한다.

파라미터	목표 요건	예상 작동 범위
파이프라인 흐름 속도	2ft/s	1ft/s 내지 25ft/s
파이프라인 압력	200psi	≤750psi
터빈 속도	6000rpm	4000rpm 내지 8000rpm
터빈 출력	600W	200W 내지 1000W
차압(ΔP)	2psi	0.5psi 내지 2.5psi

에너지 수확 모듈은 본질적으로 다음의 특징들: (a) 차압을 증가시키기 위해 흐름을 제한하기 위한 메커니즘; (b) 차압을 안전하게 조절하기 위한 메커니즘; 및 (c) 가스 흐름으로부터 전력을 생성하기 위한 메커니즘(터빈)이 추가된 구동 모듈이다.

또한, 상기 에너지 수확 모듈은: (a) 모든 작동 모드들에서 로봇의 이동 속도의 제어를 유지하고; (b) 추가적인 안전 장치들(fail-safes)을 통합하며; (c) 추가 무게를 보상하기 위해 구동력을 증가시키고; (d) 신뢰성과 서비스 용이성을 발휘하며; 그리고 (e) 운영상의 영향(operational impact)을 최소화하도록 - 예를 들어, MFL 감지 섹션이 접힐 필요 없이 굴곡부를 통과할 수 있는 경우에, 에너지 수확 모듈도 그렇게 되도록 설계되었다.

에너지 수확 모듈 설계: 본 발명은 에너지 수확을 위해 요구되는 메커니즘을 수용할 수 있는 맞춤형 구동 모듈을 고려한다. 도 3a와 3b는 이러한 모듈의 실시예를 도시한다. 상기 구동 모듈에 추가된 시스템들은 흐름 차단을 증가시키기 위해 확장되거나 흐름 차단을 감소시키기 위해 수축될 수 있는 장벽(barrier)을 제공한다. 상기 에너지 수확 모듈의 일측에는 발전을 위한 터빈 모듈이 부착되고, 반대측에는 차압(differential pressure)을 미세 조절하고 과압 완화(overpressure relief)를 위한 압력 조절기 모듈이 부착된다.

본 발명의 실시예에 따라, 여기에서 단계 I 접근법으로서 설명될 것에 따르면, 차압 및 전력의 대략적인 조절을 위한 장벽 시스템, 미세 전력 조절을 위한 전기 부하, 및 과도적 관리(transient management)를 위한 수동 압력 완화 시스템이 제공된다. 최적화는 로봇에 모듈을 장착할 수 있도록 소형화를 제공한다. 단계 Ⅱ 접근법에서, 시스템의 최적화는 수정된 제어 접근법을 가능하게 한다.

보다 구체적으로, 단계 I 접근법에서, 차압 제어는 장벽을 사용하여 성취된다. 상기 장벽의 작동은 비교적 느리며, 그 조절이 특히 정확하거나, 선형적이거나, 또는 안정적이지 않다.

대략적인 차압 조절을 위해 조절 가능한 압력 조절기 밸브가 사용된다. 상기 압력 조절기가 그 유량(flow capability) 한계에서 작동하는 경우, 장벽 위치는 조절기에 대해 보다 유리한 흐름 상태를 생성하도록 조절된다.

상기 압력 조절기는 여전히 과도 유동(flow transient)에 대한 수동적 압력 완화 장치로서 작용한다. 상기 압력 조절기는 여전히 과도 유동에 대한 수동적 압력 완화 장치로서 작용한다. 그리고, 차압이 설정값을 초과하는 경우, 압력 조절기는 차압이 설정값으로 복귀할 때까지 개방 면적을 증가시킬 것이다.

전력 조절을 위해, 과잉의 전력을 열로 버리는 대신에 오직 필요한 전력만 발전기로부터 얻는다. 이는 분류기(electrical shunt) 크기를 상당히 감소시키는 역할을 하며, 또한 발전기에 가해지는 기계적 및 열적 응력도 감소시킨다.

이동 속도 관리는 로봇의 설정된 이동 속도를 모니터링하는 "정속 주행 제어(Cruise Control)" 시스템을 통해 성취된다. 이동 속도 관리를 사용하여, 로봇이 너무 느리게 이동하는 경우, 제어 루프가 차압을 증가시켜 견인력을 증가시킬 것이다. 다른 한편, 로봇이 너무 빠르게 이동할 경우, 제어 루프가 차압을 감소시켜 견인력을 감소시킬 것이다.

도 4는 단계 I로부터 단계 I 제어 접근법을 도시하는 반면, 도 5는 수정된 단계 Ⅱ 접근법을 도시한다.

단계 I 접근법에서는, 차압 및 결과적인 출력을 대략적으로 제어하기 위해 상기 장벽이 사용되었다. 큰 저항기 뱅크(large resistor bank)(분류기)는 과도한 전력을 발산시켜 로봇에 의해 요구되는 수준으로 전력을 낮추도록 조절하는 데 도움을 준다.

단계 Ⅱ 접근법에서, 장벽 대신에 차압을 미세 조절하기 위해 압력 조절 밸브가 사용되며, 전력 조절은 주로 발전기로부터 필요한 것만을 취함으로써 성취되므로, 분류기의 크기의 감소를 가능하게 한다.

모듈식 구동부(Modular Drive Portion):

모듈의 구동부는 24인치로부터 26인치까지의 파이프들에 적합하도록 설계되었다. 전개력(deploy force)은 추가적인 모듈 무게를 보상하도록 설계되었다. 도 6은 본 발명에 따른 구동 트랙 전개 메커니즘의 단면도를 도시한다.

도 7에서, 본 발명에 의해 제시된 완전한 에너지 수확 모듈은 접힌 모드와 전개된 모드(드라이브 트랙 및 배리어) 둘 다에서 볼 수 있다. 도 8은 터빈과 압력 조절 밸브의 흐름 출구들이 묘사된 모듈의 "정면도"를 도시한다.

서비스의 용이성을 위해, 에너지 수확 모듈 자체는 실질적으로 모듈식으로 설계되었다. 터빈 모듈, 압력 조절기 모듈, 및 장벽 모듈은 서비스를 위해 교체되거나 또는 상이한 파이프라인 직경들에 맞춰 조정될 수 있다(도 9 참조).

상기 모듈들은 모듈이 장착될 때 전기적 연결을 자동으로 설정하는 커넥터들을 가지도록 설계된다. 이렇게 하면 서비스 중에 커넥터들과 케이블들을 관리할 필요가 없으며, 와이어가 손상되거나 커넥터가 누락될 위험이 크게 감소된다.

조절기 모듈(Regulator Module):

조절기 모듈은 에너지 수확 모듈 전체에 걸쳐 차압을 제어하고 제한하도록 설계된다. 피봇 포인트(도 10 참조)에 대한 댐퍼의 면적 차이는 밸브 개방 면적을 결정하기 위해 피봇 포인트에 가해지는 토크와 균형을 이룬다. 설정값보다 큰 차압은 밸브가 더 개방되도록 하고, 설정값보다 작은 압력은 밸브가 폐쇄되도록 할 것이다. 이 메커니즘은 0.5psi 내지 2.5psi에서 작동하도록 설계된다. 입구에서의 압력이 설정값 위로 증가될 때, 댐퍼 플레이트(damper plate)는 증가된 압력이 빠져나갈 수 있도록 회전한다.

도 11(측면도)과 12(3차원 도면)에 도시된 바와 같이, 압력 조절기 부품들에 대한 초기 설계 노력은 정력 스프링(constant force spring)을 가진 댐퍼를 기초로 하였다. 이러한 노력들은 메커니즘이 마찰에 너무 민감하고 걸림(jam)이 발생하는 경향이 있다는 사실이 발견된 후에 대체되었다.

현재 디자인의 압력 조절기 메커니즘은 바이패스 양(amount of bypass)을 미세 조절하기 위해, 슬라이딩 아암들을 가진 스프링 대신에, 모터를 사용한다. 이 메커니즘(도 13과 14에 도시됨)은 움직이는 부품들을 덜 가져서 유리하게 단순하다. 이는 이전 설계들과 동일한 공간 내에 맞춰질 수 있다. 상기 댐퍼 플레이트를 제자리에 홀딩하기 위해서는 전력이 요구된다. 이는 정전 중에는 안전 조치가 이루어져 흐름이 댐퍼 플레이트를 개방 위치로 밀 것이라는 것을 의미한다. 전력 소비는 최소 차압 목표에서 대략적으로 0.6W만큼 그리고 최대 차압 목표에서 15W만큼 에너지 수확 효율을 약간 감소시킨다. 그러나, 이러한 효율 손실은 생성된 전체 전력과 비교할 때 무시할 수 있는 것으로 간주된다.

도 15는 바람직한 실시예에서 압력 조절 밸브 작동을 도시한다.

터빈 모듈(Turbine Module):

본 발명에 따른 터빈 모듈은 도 16에 도시되어 있으며, 샤프트에 의해 상호 연결되고 볼 베어링들에 의해 지지되는 터빈과 발전기로 구성된다. 상기 터빈은 입구 카울링(inlet cowling)과 디퓨저 출구를 가진 고정 블레이드들과 회전 블레이드들의 세트로 구성된다. 상기 터빈 모듈이 로봇의 에너지 수확 모듈에 설치된 때 전기적 연결이 자동으로 이루어진다. 도 17은 터빈 모듈의 단면도이다.

장벽 모듈(Barrier Module):

상기 장벽 모듈의 목적은 모듈을 우회(bypassing)하는 흐름을 제한하여 터빈을 통한 흐름을 증가시키는 것이다. 이 모듈은 각각 꽃잎들(petals)의 세트를 구동시키는 모터를 가진 2개의 절반부들(halves)로 구성된다. 상기 꽃잎들은 파이프 표면에 접촉하도록 형상이 변하는 유연성 외부 씨일(seal)과, 작동 기어박스에 부착된 강성 부분을 포함한다. 상기 모터가 회전할 때, 기어들은, 도 18에 도시된 바와 같이, 꽃잎들을 접힌 위치로부터 전개된 위치로 회전시키기 위해 작동 기어박스들에 동시에 모션을 전달한다.

컴퓨터 자동화(Computer Automation):

로봇 자동화를 위해서는 비교적 복잡한 데이터 처리가 요구된다는 것이 알려져 있다. 이를 염두에 두고, 본 발명은 자동화를 가능하게 하는 처리 능력을 증가시킬 수 있는 로봇 온보드 "메인" 컴퓨터를 제공한다.

전용 전자 장치는 여기에서 자동화 컴퓨터라고 지칭되는 것과 로봇 전원 및 통신 버스들 사이에 상호 연결된다. 컴퓨터 및 관련된 능동 방열판들(heat sinks)은 제어 모듈들에 의해 지원된다.

본 발명에 따른 자동화 컴퓨터 시스템은 로봇 센서뿐만 아니라 입체 카메라로부터의 비디오 신호들과 데이터를 처리할 수 있다. 입체 카메라와 관련하여, 독자는 특징부 인식에 관한 아래의 논의를 참조한다. 로봇 센서들과 관련하여, 이러한 센서들은, 예를 들어 그러나 이제 제한 없이, 조인트 각도와 바퀴 속도로부터 신호를 감지할 수 있다. 상기 자동화 컴퓨터는 운전 보조(assisted drive)와 관련하여 아래에서 언급되는 다수의 특징들과 능력들을 통해 (전체로서) 로봇의 지시를 더 허용한다.

특징부 인식(Feature Recognition):

특징부 인식은 본 발명에 의해 고려되는 유형의 로봇들에서 매우 바람직한 특징이다. 종래 기술의 로봇 카메라 시스템은 사용 가능한 특징부 인식을 위해 필요한 의미 있는 품질과 정확한 출력을 제공할 수 없다.

본 발명은 제어 모듈에 의해 지원되는, 로봇의 길이방향 축으로부터 약간 중심을 벗어나서 위치한 3차원(3D) 입체 카메라를 제공한다(도 19 참조).

바람직한 실시예에서, 본 발명의 입체 카메라는 서로로부터 50mm 분리된 카메라 센서들로부터 2개의 독립적인 이미지들을 캡처한다. 이 두 이미지를 픽셀 단위로 서로 비교하는 계산으로부터 강도 맵(intensity map)이 생성된다. 상기 강도 맵은, 결국, 2개의 이미지들과 연관된 각각의 픽셀의 겉보기 모션(apparent motion)을 나타낼 수 있는 시차(disparity)를 제공한다. 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선(IR) 패턴이 콘트라스트가 낮은 파이프라인과 같은 환경에서 입체 카메라에 의해 투사된다.

카메라 센서들의 기하학적 구조와 카메라 렌즈들의 시야를 알면 생성된 상기 시차 맵 자체가 촬영되는 파이프라인의 3차원 클라우드 또는 3D 표현으로 변환된다. 도 20은 로봇이 굴곡부(bend)에 접근할 때 파이프라인의 90도 굴곡부 스캔에 대해, 좌측에는 시차 맵을 우측에는 포인트 클라우드(point cloud)를 보여준다.

본 발명은 전술한 포인트 클라우드를 입력 데이터의 소스로서 활용할 수 있는 특징부 검출 알고리즘을 고려한다. 시간 및 공간 유형의 필터들은, 처리 단계(들)에서 사용되기 전에, 포인트 클라우드 노이즈를 최소화하거나 제거하는 데 사용된다.

파이프라인 검출(Pipeline Detection):

특징부 검출 데이터를 획득하는 제1 단계는 파이프라인 기하학적 구조에 대해 로봇 카메라의 방향을 결정하는 것이다. 이는 오버헤드 및 측면 뷰 투영들(projections)을 만들고 사용하여 달성된다. 파이프 가장자리들이 위치한다. 파이프라인 표현으로부터 카메라 피치(pitch)를 제거하기 위해, 전술한 포인트 클라우드는 그 후에 파이프라인과 비교적 동축이 되도록 회전된다. 이는 대략 1도 정도의 정확도를 제공한다.

포인트 클라우드가 파이프라인과 동축으로 정렬된 때, 일련의 투영들은 최소 및 최대 파이프 직경의 계산을 가능하게 한다. 이러한 정렬은 파이프라인의 임의의 난형도(ovality)의 계산을 더 허용한다. 마지막 단계에서, 정렬된 파이프라인을 원(T)에 맞추기 위해 축방향 투영(axial projection)이 수행된다.

장애물 검출(Obstacle Detection):

본 발명은 파이프라인 내의 장애물들을 검출하는 새로운 능력 및 방법을 포함한다. 이는 위에서 설명된 포인트 클라우드를 사용하여 성취된다. 장애물 검출 방법은 바람직하게는 원을 포인트 클라우드의 축방향 투영에 맞추는 것으로 시작한다. 직교 좌표(Cartesian coordinate)를 사용하여 발생하는 플로팅(plotting) 대신에, 극좌표 변환(polar transformation)이 상단에서 원을 상단에서 절단하고 펼침으로써 시작된다(도 21의 좌측 참조). 노이즈 임계값을 설정하여 그 임계값을 넘어서 연장되는 임의의 돌출부들은 장애물로서 분류된다(도 21의 우측 참조).

굴곡부 검출(Bend Detection):

파이프라인 굴곡부들의 검출은, 굴곡부의 존재를 검출하는 데 필요할 뿐만 아니라 로봇을 정확하게 정렬하기 위해서는 정확한 굴곡부 평면(bend plane)과 중심 경로가 설정되어야 하기 때문에 비교적 복잡하다.

굴곡부의 존재와 굴곡부 평면이 모두 결정된 때, 측정을 통해 중심점들이 설정되어야 한다. 위에서 언급된 포인트 클라우드는 굴곡부가 수평(0도)으로 표시될 때까지 회전되며, 오버헤드 투영이 만들어진다. 본 발명은 라인 추종 이미지 처리 알고리즘을 사용하여 파이프의 외측 에지를 검출하며, 알려진 반경이 내측으로 투영된다. 내비게이션을 위해 요구되는 3차원 중심 포인트들이 생성된다. 내비게이션을 가능하게 하기 위해, 이전 단계에서 찾은 각도를 활용하여 2차원 포인트들이 3차원 공간 내에서 회전된다(도 22 참조).

티 검출(Tee Detection):

본 발명에 따른 로봇을 이용하는 파이프라인 검사는 파이프라인 티(tee)를 처리하는 것을 요구한다. 티 검사는 축 방향으로 정렬된 포인트 클라우드에서 시작된다. 이 클라우드는, 도 23의 좌측 상부에 도시된 바와 같이, 절단되고 펼쳐진다. 포인트 클라우드 내의 구멍은, 도 23의 좌측 하부에 도시된 바와 같이, 식별되고 크기가 결정된다.

운전 보조(Assisted Drive):

본 발명은 여기에서 운전 보조 방법 및 장치라고 지칭되는 것을 포함한다. 실제 조건들에 기초하여, 기존의 운전 보조 소프트웨어에 대한 새로운 개선 사항이 통합된다. 이는, 아래에서 설명되는 바와 같이, 새로운 내비게이션 제어 모듈의 사용뿐만 아니라 소프트웨어 제어 수단을 포함한다.

본 발명에 따른 운전 보조 소프트웨어는 로컬 또는 원격 제어기로부터 전송된 신호 또는 메시지에 의해 제어될 수 있다. 이 운전 보조 소프트웨어는 위에서 언급된 자동화 컴퓨터에서 실행되도록 컴파일링된다.

내비게이션 모듈은 로봇 센서들과 특징부 인식 모듈로부터의 피드백에 의해 전술한 운전 보조를 통해 로봇을 제어한다. 내비게이션 모듈은 로봇을 제어할 때 규칙 기반의 포괄적인 상태 기계이다. 이는 데스크톱 또는 랩톱 컴퓨터에서 실행될 수 있으며, 익스플로러(Explorer) 시뮬레이터 또는 위에서 설명된 유형의 자동화 컴퓨터에서 제어할 수 있다.

본 발명의 목적은 종래의 시스템보다 훨씬 간단한 제어를 가능하게 하는 내비게이션 모듈을 제공하는 것이다. 개별 조인트들을 작동시키고, 스로틀(throttle)을 조절하며, 다가오는 특징부들을 식별하기 위해 비디오를 보고 이에 반응하는 대신에, 본 발명의 사용은 원하는 속도를 입력할 수 있다. 본 발명의 소프트웨어는 로봇과 특징부 인식 모듈로부터의 모든 피드백이 정확한지를 확인함으로써 진행하는 것이 안전함을 자율적으로 보장한다.

로봇 피드백이 신뢰할 수 없거나 무언가 잘못되어 보이는 경우(예를 들어, 스로틀이 현재 속도 설정값에 대해 너무 높은 경우 또는 조인트들이 현재 반경에 대해 너무 멀리 전개된 경우), 본 발명의 소프트웨어는 로봇을 정지시키고 조작자로부터 추가 지시를 기다릴 것이다.

상기 특징부 인식 모듈에 의해 특징부들이 검출된 경우, 내비게이션 모듈은 이에 적절하게 반응할 수 있다. 특징부들이 사용자 입력을 요구하지 않는 경우(예를 들어, 굴곡부들), 이 소프트웨어는 로봇이 굴곡부의 평면에 대해 정확하게 정렬되도록 보장할 것이며, 로봇은 3차원 중심 포인트들을 따름으로써 굴곡부를 통해 진행할 것이다.

티(tee)를 만났을 때와 같이 사용자 결정을 요구하는 특징부들이 있다. 이러한 경우에, 본 발명의 소프트웨어는 추가 지시가 수신될 때까지 로봇을 정지시킬 것이다.

불안전한 상태들은 본 발명의 특징부 인식 능력에 의해 검출될 수 있다. 이러한 상태들은, 단지 예로서, 비교적 큰 장애물 또는 장애물의 존재 또는 인식할 수 있는 파이프라인의 부존재를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제어는 시스템의 사용자에게 이전된다.

파이프라인 매핑(Pipeline Mapping):

본 발명에 의해 파이프라인 매핑 능력이 제공된다. 이는, 적어도 부분적으로, 로봇에 의해 지원되는 관성 측정 유닛(IMU)을 제공함으로써 달성된다. 정확한 매핑을 위해 측량 데이터를 사용하여 IMU 데이터를 후처리하는 기술이 제공된다.

데이터는 IMU로부터 비교적 높은 속도(예컨대, 1kHz)로 수집된다. 로봇에 의해 지원되는 전자기기들은 버스에서 통신하여 데이터를 메모리와 업로드에 기록하고 처리를 허용한다. 이러한 IMU 데이터의 처리는 칼만(Kalman) 필터에 의존한다. 칼만 필터링은 알려지지 않은 변수들의 추정치를 제공할 수 있는 알고리즘으로 정의될 수 있다. 본 발명에서, 이 알고리즘은 가정된 통계적 노이즈 모델과 함께 시간에 걸쳐 관찰되는 일련의 측정들을 사용하여 각각의 단일 측정을 수행하는 것보다 더 양호한 경향이 있는 추정치를 생성한다. 상기 필터는 다양한 IMU 측정들의 위치, 속도, 방향, 척도(scale) 및 편향(bias)과 같은 다음 상태를 예측하는 데 사용된다. 이러한 예측들은, 예컨대 GPS 업데이트 또는 주행 거리계(odometer)를 통해, 새로운 데이터를 얻을 때 업데이트된다.

실제 파이프라인 매핑에서, GPS 업데이트는 미리 결정된 위치들에서 지하 파이프라인 위에 배치되는 지상 마커들(AGM)과 함께 제공된다. AGM은 기록된 정확한 타임스탬프(timestamp)에 적합한 검사 도구의 통과에 의해 생성된 자기 교란을 모니터링한다. 정확한 타임스탬프에 의존하여, 이러한 두 가지는 나중에 상관될 수 있으며, IMU 데이터를 후처리하기 위해 GPS 업데이트가 적용될 수 있다.

실제 애플리케이션을 모방하기 위해, 테스트 시, GPS 업데이트는 AGM 배치로부터 이용가능한 것과 유사한 빈도로, 또는, 예를 들어, 매 500 내지 1000피트로 제한된다.

테스트 카트(test cart)에 장착된 주행 거리계 바퀴는 종래 기술의 파이프라인 검사 로봇에서 사용 가능한 주행 거리계의 시뮬레이션을 제공한다. 1%까지 정확한 연속적인 10Hz 업데이트들이 제공된다. 주행 거리계는 절대적인 정보를 제공하지 않기 때문에, 추적 속도의 보정 역할을 하기 위해 칼만 필터에 공급된다.

IMU 및 주행 거리계 판독값들의 내재된 부정확성 및 노이즈뿐만 아니라 GPS 업데이트들 사이의 절대적인 측정값들의 부족으로 인해, 추정 위치는, 도 25에 도시된 바와 같이, 시간이 지남에 따라 커질 것이다. IMU 처리가 실시간으로 수행되지 않기 때문에, 미래의 GPS 업데이트들은 위치 오류를 감소시키는 데 도움을 주기 위해 사용된다. 이를 달성하기 위해, 본 발명은 IMU/주행 거리계 측정을 180도 회전시킨다. 데이터는 마지막 샘플로부터 첫 번째 샘플까지 역 시간으로 필터를 통관한다. 필터는 위치뿐만 아니라 위치의 변화도 추정한다. 이러한 방식으로, 추정된 변화에 의한 가중치 부여를 가능하게 하고 최적으로 결합될 수 있도록 정방향과 역방향으로 필터를 통과한다.

방향 오류들(heading errors)에 대한 수정의 사용을 통해, 추가적인 선택적인 정확도를 사용할 수 있다. 그런 다음, 정지 상태에서, IMU는 지구의 자전과, 중력으로 인한 가속도만 검출한다. 지구의 자전과 관련하여 중력 벡터를 회전시킴으로써, 추정 위도의 원(circle of latitude)이 얻어진다(도 26 참조). 지구의 자전 방향과 중력 벡터를 알면 장치의 방위(북쪽으로부터의 각도)가 계산된다. 이 계산의 정확도는 정지된 시간의 지속 기간에 의존한다. 예를 들어, 20분의 데이터로부터 대략 2%의 정확도가 달성될 수 있다. 여기에서 "자이로콤파싱(gyrocompassing)"이라는 용어는 방향 오류들을 수정하기 위한 주기적인 사용을 나타내기 위해 사용되었다.

로봇에 장착(Mounting on Robot)

본 발명은 전술한 IMU를 수용하기 위해 로봇에 의해 지지되는 장착부(mount), 로깅(logging) 전자기기들, 및 로봇의 구동 모듈의 배터리 격실 내에 위치한 비교적 작은 백업 배터리를 제공하는 것을 포함한다. 도 27은 로봇에 장착된 IMU를 보여준다.

매핑 프로세스(The Mapping Process)

기본적으로, 로봇 검사를 시작하기 전에, 론칭 장소(launch site)의 위치와 방향이 조사된다. 로봇이 전개되고 IMU 데이터가 기록된다. 사전 정의된 거리 또는 굴곡부 후에, 로봇은 자이로콤파싱을 허용하기 위해 정지된다. 지상 마커들(AGM)은 정확도를 향상시키기 위해 필요에 따라 배치된다. 도 28은 이 파이프라인의 개관을 개략적인 형태로 도시하려는 시도를 나타낸다.

플러그 밸브 내비게이션 및 기능(Plug Valve Navigation & Functionality):

로봇은 가스 흐름을 정지시키고 허용할 수 있는 플러그 밸브들을 포함하는 파이프라인 환경 내에서 작동할 것이며 작동되어야 한다는 것은 알려져 있다. 대략적으로 말하면, 이러한 플러그 밸브들은, 하나 이상의 피팅들(fittings)을 통해 작동 핸들에 결합된 밸브 스템(stem)에 고정된, 관통 포트(port)가 형성된 플러그를 포함할 수 있다. 상기 플러그는 가스의 흐름 내부에 배치되며, 밸브 핸들을 회전시킴으로써, 플러그의 포트가 가스의 흐름을 정지, 허용 또는 제어할 수 있다. 물론, 플러그와 그 포트의 존재 자체가 로봇의 원하는 경로 내에 감소된 직경의 포트 장애물을 만든다. 포트 직경 또는 개구는 반드시 플러그 밸브가 설치된 파이프라인의 내경보다 작아야 한다. 도 29는 플러그 내에 세장형 포트를 가진, 반드시 가스 파이프라인과 함께 사용되는 것은 아닌, 종래의 유형의 플러그 밸브의 개략적인 단면도를 도시한다.

본 발명은, 도 30-33에서, 중앙 몸체 둘레에 확장 가능한 방식으로 배치된 복수의 자석 막대들을 가진 로봇 플러그 구성 모듈을 제공한다. 도 30에 도시된 초기 상태에서, 중앙 몸체가 로봇을 운반하는 파이프라인의 중심에 또는 중심에 비교적 가까이에 위치할 수 있도록 자석 막대들은 비활성화된다. 도 31에서, 자석 막대들은 파이프라인의 내경의 대략 75%로 접혀 있다. 중앙 몸체의 단부들에 위치한 래치들(latches)은 맞물린다.

도 32에서, 로봇이 전방으로 구동될 때 래치들은 해제된다. 슬라이드 부재에 슬라이딩 가능하게 장착된 자석 막대들의 뱅크들(banks)은 모듈의 전방과 후방으로 바깥쪽으로 연장되도록 허용되며, 이에 의해 모듈의 전체 길이가 대략 250% 신장된다.

도 32는 슬라이드 부재의 단부들에서 자석 막대들의 축방향 위치를 도시하며, 이 지점에서 자석 막대들은 중앙 몸체의 단부들 둘레로 힌지 운동을 실현할 수 있고, 이에 의해 모듈의 전체 직경을 감소시켜 모듈이 플러그 밸브 내의 플러그의 포트를 통해 당겨지거나 이동될 수 있도록 한다. 도 33은 감소된 직경 구성의 모듈을 축방향으로 도시한다.

바람직한 구동 시스템 실시예(Preferred Drive System Embodiment):

도 34는, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 오직 예를 들어, 직경이 30-36인치인, 파이프라인을 통해 로봇을 이동시키기 위해 제공되는 구동 모듈을 도시한다. 견인력(tow force)은 수평 및 수직 섹션들 모두에 제공된다. 상기 구동 모듈은 비교적 무거운 로봇을 당기기 위해 파이프 내경 표면들에 대해 구동 바퀴들의 충분한 마찰 압력을 발생시키도록 설계된다.

이 구동 모듈은 바람직하게는 주 몸체, 액추에이터들, 배터리 저장소, 주행 거리계, 자동 연결 지점들, 및 제어 회로를 포함하는 특징들을 포함한다. 각각 살펴보면:

상기 주 몸체는 양측(도 35에는 일측만 도시됨)에 2개의 구동 트랙들을 포함한다. 이러한 구동 트랙들은 각각 2개의 구동 바퀴들을 포함하며, 이들은 위에서 언급된 요구되는 견인력을 생성하는 데 충분한 마찰을 제공할 수 있는 우레탄으로 처리된다.

상기 액추에이터들은 바퀴들을 파이프 벽상에 전개시킨다. 전개력(deploy force)은 다양한 파이프라인 형상에 대해 일정한 마찰을 유지하기 위해 로봇이 파이프를 통해 이동할 때 조절된다. 상기 구동 모듈은 파이프라인 직경(최소 22.5인치)의 75%까지 축소된다.

배터리 저장소는 재충전 가능한 배터리 팩들을 수용한다. 배터리들은 로봇에서 직접 충전되거나 교체될 수 있다. 배터리 교체를 위해, 신속하게 제거 가능한 커버가 제공된다.

도 36에 도시된 주행 거리계(Odometer)는 각각의 주행 트랙에 설치되며, 파이프 내의 주행 거리를 측정한다. 각각의 주행 거리계 바퀴는 특히 파이프 벽상의 잔해물(debris)을 헤치고 나아가며 미끄러짐을 제거하도록 설계된다.

자동 연결 지점들은 부피가 큰 와이어 대 와이어 연결이 필요하지 않도록 모듈들에 인접하여 위치한다.

제어 회로는 로봇 코(robot nose)에 대한 통신을 가능하게 하고, 바퀴들을 전개시키고 구동시키는 모든 액추에이터들을 작동시키도록 제공된다.

도 35는 전개 액추에이터와 구동 트랙을 지지하는 주 구동 모듈 몸체를 도시한다. 화살표들은 상대적인 이동의 정도를 나타낸다. 움직일 수 있는 링키지(linkage)는 구동 모듈 중앙 몸체를 구동 바퀴들과 연결한다.

도 36은 구동 트랙 상의 주행 거리계 바퀴를 도시하고, 주행 거리계 센서를 추가로 식별한다. 전개 액추에이터는 구동 트랙들을 파이프 내부 벽에 대해 가압하며, 도 37에 도시된다. 전개 액추에이터에는 구동 모터를 포함하며, 이는 스퍼 기어를 통해 리드 스크류에 연결된다. 리드 스크류는 액추에이터의 반대쪽 단부에 연결되어 전체 스트로크에 걸쳐 적절한 힘을 제공한다. 연결 지점은 파이프 벽 내의 작은 편차들이 흡수될 수 있도록 스프링으로 완충된다. 편향 센서(deflection sensor)는 이 스프링의 압축을 모니터링하고 그 정보를 조작자에게 피드백한다.

구동 바퀴 동력 전달은 도 38에 도시된다. 모터는 2개의 구동 바퀴들 사이의 중앙에 수용된다. 상기 모터는 기어박스에 연결된 중공형 샤프트를 구동시킨다. 또한, 허브는 기어박스로부터 기어/모터 조합을 통해 조립체의 다른 쪽으로 토크를 전달하는 또 다른 샤프트에 연결된다. 여기에서 샤프트는 다른 허브에 연결된다. 바퀴는 이 허브에 연결된다.

이 디자인은 모터가 구동 트랙의 양측을 동일한 크기의 토크로 구동시킬 수 있도록 허용한다.

로봇 배터리 분배(Robot Battery Distribution):

본 발명은 몇몇의 모듈들 내에 그리고 그 사이에서 배터리들의 분배를 고려한다. 이는 도 39에 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명의 로봇 전체에 걸쳐 에너지 저장소를 위한 가용 부피를 최대한 활용하기 위해, 배터리들은 로봇 전체에 걸쳐 분배된다. 이 접근 방식은 중앙 전원 모듈을 가지는 대신에 로봇에 에너지 저장소를 분산시킨다. 따라서, 각각의 모듈은 로봇 전체에 걸친 전원 균형과 충전을 위해 전원 버스(power bus)에 연결된다. 각각의 모듈 내의 각각의 개별 전원 구성요소는 전체 로봇의 필요에 따라 전원 버스에 일정한 전압으로 전원을 공급하도록 구성된다. 전원 버스에 충전을 위한 에너지가 공급되는 경우, 각각의 전원 섹션은 충전 모드로 전환하여 에너지를 저장한다. 이 접근 방식은 배터리를 제거하지 않고도 로봇이 충전되도록 허용하며 범위를 증가시키는 데 필요한 최대 에너지 저장량을 허용한다. 또한, 이는, 어떤 이유로든, 하나의 모듈이 전원을 공급하지 않거나 오프라인 상태가 되는 경우, 로봇의 나머지 부분이 기능하도록 허용한다.

본 발명의 추가적인 양태들:

도 40 내지 44는 본 발명의 범위 내에 속하는 로봇들을 개략적으로 도시한다. 보다 구체적으로, 도 40-41은, 일반적으로, 본 발명의 로봇 설계의 구성을 나타낸다. 도 42는 검사될 8인치 직경의 파이프라인에 적합한 로봇 구성을 도시한다. 도 43은 검사될 10인치 내지 14인치 직경의 파이프라인에 적합한 로봇 구성을 도시한다. 도 44는 검사될 16인치 내지 36인치 직경의 파이프라인에 적합한 로봇 구성을 도시한다.

결론:

본 명세서 및 첨부된 특허 청구항들은 본 발명의 더 넓은 범위 및 의미를 손상시키거나 벗어나지 않으면서 본 발명의 예들과 다양한 실시예들을 나타낸다. 본 발명은 문자 그대로의 논의 및 여기에서 제시된 예들에 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 양태들과 등가물들은 당업자에게 자명할 것이며, 본 발명의 의미 및 범위 내에 포함될 것이다.

경도 시험 시스템: 본 발명은 다음과 같은 경도 시험 능력을 포함한다.

접근 방식(Approach):

언급된 바와 같이, 로봇 시험 시스템은 Invodane 회사에 의해 "익스플로러(Explorer)"라는 이름 및 상표로 테스트되고 성공적으로 판매되었다. 본 특허 출원 명세서 전반에 걸쳐 다른 곳에서와 마찬가지로, 익스플로러 로봇 시스템에 대한 불필요한 참조 없이 자체적으로 본 발명의 설명을 독자에게 제시하려는 시도가 이루어졌다. 그러나, 본 발명의 경도 시험기의 경우에, 기존의 로봇 구성요소들을 최대한 많이 사용할 수 있도록, 익스플로러 시스템에 경도 시험기 모듈(HTM)을 배치하는 방식을 채택했다.

최종적으로 채택된 HTM의 구성은 도 45에 도시되어 있다. 파이프내 경도 시험기 모듈에 대한 개념은 2개의 유닛들(서브 모듈들), 즉 표면 준비 캐리지와 경도 시험기 캐리지를 요구한다. 표면 준비 도구가 미세 입자들을 가스 흐름 내부로 배출하기 때문에, 두 기능들이 서로 실질적으로 격리되도록 설계 노력이 이루어졌다. 두 유닛들 모두 사용하지 않을 때 잔해물이 축적되지 않도록 보호된다.

상기 표면 준비 캐리지는 다음의 특징들을 가지도록 설계되었다:

파이프 벽에 전개되고 익스플로러의 75% 제한 요구 사항을 충족하도록 수축될 수 있는 캐리지. 상기 캐리지는 라인의 청결도, 특징들, 등에 따라 실행 기간 동안 파이프 벽에 전개된 상태로 유지될 수 있다.

상기 캐리지의 전방에는 선택된 영역(시험이 수행될 영역)으로부터 느슨한 잔해물을 제거하는 기능을 수행하는 스프링-장착 스크레이퍼(scraper)가 있다.

표면의 준비는 2개의 단계들로 수행되며; 제1 단계는 와이어 브러시를 사용하여 표면의 대략적인 청소를 제공하고, 이어서 (샌딩(sanding)을 위한) 마감 도구(finishing tool)를 사용하여 표면의 세밀한 청소를 제공한다.

와이어 브러시 시스템은 파이프 벽에 대해 15도 기울기로 전개될 수 있다. 이는 스크레이핑 작업과 병행하여 작동될 수 있다.

와이어 브러시 청소 단계 후에 파이프 내부 벽의 표면을 평가하기 위해 카메라와 조명이 포함된다. 조작자는 양호한 경도 판독을 방해할 수 있는 덴트(dent), 시임 용접부(seam weld), 또는 다른 표면 특징부들을 시각적으로 검출할 수 있다. 카메라 이미지는 사후 표면 준비 이미지와 비교하기 위해 기록된다.

표면 마감 도구는 원하는 표면 마감을 달성하기 위해 축방향 움직임과 압력을 제어하기 위해 작동되는 슬라이드에 장착된다.

벽 두께 프로브 또는 유사한 장치는 샌딩 장치(sander)에 의한 재료 제거의 진행을 모니터링한다.

경도 측정 캐리지(도 47)는 다음의 특징들을 포함하도록 설계되었다:

캐리지는 직접 로크웰 테스트(Rockwell B)에 필요한 100kp보다 높은 힘으로 벽에 대해 가압될 필요가 있다.

포지셔닝 카메라는 캐리지의 전방에 배치된다. 이는 캐리지를 준비된 표면과 인라인으로 직접 배치하기 위한 것이다. 조작자가 준비된 표면을 찾는 데 도움이 되도록 포지셔닝 카메라는 전방으로 약간 기울어진다.

전체 준비된 표면을 검사하기 위해 고해상도를 가진 매크로 카메라가 사용된다. 이 일련의 이미지들이 기록된다. 시야는 가능한 한 높은 해상도로 대략 0.5인치이어야 한다.

매크로 카메라와 직접 로크웰 측정기는 슬라이드에 부착된다.

경도 시험기는 맞물려 자동으로 일련의 10회 측정을 수행하며, 각 측정 사이에 대략 3mm 이동한다. 압흔(indent)의 이미지가 자동으로 촬영된다.

개발(Development): 다음은 본 발명에 따른 모듈들의 특징들에 대한 설명뿐만 아니라 경도 시험 모듈을 개발하기 위해 수행된 과정의 개요를 제공하기 위한 것이다(도 48-49 참조).

모듈은 표준 MFL 감지 섹션 대신에 익스플로러 로봇의 중앙에 위치한다.

상기 모듈은 파이프라인 특징부들을 통해 조작되며 로봇의 기존 모듈들을 통해 파이프 벽의 측면에 위치할 수 있다.

상기 모듈은 감지 섹션을 파이프 벽에 고정시키는 액추에이터를 포함한다. 상기 액추에이터는 클램프 액추에이터라고 지칭되기도 한다.

상기 모듈은 파이프의 축에 평행하게 작동될 수 있으며(피드 액추에이터) 회전될 수 있는(드럼 롤 액추에이터) 드럼을 포함한다.

상기 드럼은 경도 측정을 수행하기 위해 제 위치로 이동되는 표면 준비 및 압입(indentation) 특징부들(또는 위에서 설명된 캐리지들)을 포함한다.

경도 시험 드럼(Hardness Test Drum): 경도 시험 드럼(도 50)은 5개의 위치를 가진다. 상기 위치들은 파이프의 경도 측정을 수행하기 위한 다음의 구성요소들을 포함한다.

와이어 브러시 휠(Wire brush wheel): 와이어 브러시 휠은 파이프 벽으로부터 느슨한 잔해물을 제거하며, 이는 파이프 바닥으로 떨어지거나 모듈 주위의 가스 흐름에 의해 제거된다. 요구되는 준비 영역이 총 이송 주행을 초과한 때로부터, 로봇 구동 모듈에 의해 와이어 브러시 휠의 축방향 이동이 제공된다.

샌딩 휠 #1(Sanding wheel #1): 와이어 브러시와 유사하게, 상기 드럼은 2개의 샌딩 휠들을 포함한다. 샌딩 스테이션들의 목적은 파이프 내부로부터 재료를 최대 0.010인치까지 정확하게 제거하고 경도 시험에 적합한 표면 마감을 남기는 것이다. 이들은 피드 액추에이터에 의해 축 방향으로 이동된다. 각각의 샌딩 휠에는 작업 중에 샌딩 공정을 모니터링하기 위한 카메라와 깊이 센서가 장착되어 있다.

샌딩 휠 #1(Sanding wheel #1): 와이어 브러시와 유사하게, 상기 드럼은 바람직하게는 2개의 샌딩 휠들을 포함한다. 샌딩 스테이션들의 목적은 파이프 내부로부터 재료를 최대 0.010인치까지 정확하게 제거하고 경도 시험에 적합한 표면 마감을 남기는 것이다. 이들은 피드 액추에이터에 의해 축 방향으로 이동된다. 각각의 샌딩 휠에는 작업 중에 샌딩 공정을 모니터링하기 위한 카메라와 깊이 센서가 장착되어 있다.

와이어 브러시 휠에 추가하여, 와이어 브러싱 전후에 파이프 표면의 높이를 모니터링하고 측정하기 위해 카메라와 깊이 센서가 설치된다.

샌딩 휠 #2(Sanding wheel #2): 샌딩 휠 #1과 동일하며, 샌딩 휠 #2 위치에는 시험 조건에 따라 동일한 그릿(grit) 또는 더 미세한 그릿의 샌드페이퍼가 장착될 수 있다.

직접 로크웰 압입기 (Direct Rockwell Indenter): 직접 로크웰 압입기는 피드 액추에이터를 이동시킴으로써 파이프 축에 평행한 행으로 준비된 표면 상에 경도 측정을 수행한다. 상기 압입기에는 또한 측정 세트 내의 각각의 압입의 클로즈업 이미지를 촬영하기 위해 보조 카메라가 장착된다.

홈 위치(Home position): 모든 측정 기능들을 위한 제어 전자기기들을 포함한다. 모듈이 측정을 하지 않을 때 드럼은 이 위치로 회전된다.

본 명세서에서는 스크레이퍼가 제공되지 않지만, 본 발명은 스크레이퍼의 선택적인 포함을 고려한다.

전체 시스템 프리젠테이션(Overall System Presentation): 다음은 와이어 브러시, 샌딩 휠, 및 압입기를 포함하는 시스템에 대해 보다 상세하게 설명한다:

와이어 브러시(Wire Brush):

와이어 브러시 위치는 파이프 벽에 느슨하게 붙어 있는 잔해물을 제거하는 데 사용된다. 이는 샌딩 휠과 압입기가 일반적으로 다소 더러운 파이프라인 환경에서 상대적으로 깨끗한 상태를 유지하기 위한 것이다. HTM에 장착된 와이어 브러시는 대략 1.75인치의 폭을 청소한다. 압입기는 폭이 대략 4인치인 파이프 부분과 접촉한다, 따라서, 일반적으로 와이어 브러시의 (왕복으로) 3회 패스가 요구된다.

파이프 표면의 와이어 브러시 준비를 위한 작동은 로봇을 이동시킴으로써 달성된다. 로봇은 와이어 브러시 모터가 맞물린 상태에서 앞뒤로 구동된다. 전체 모듈은 와이어 브러싱된 표면의 전체 4.25" 폭을 달성하기 위해 ±10도 회전된다.

파이프 벽으로부터 잔해물을 제거하는 데 사용되는 와이어 브러시는 기성품 4.5인치 직경 스트링거 비드 브러시일 수 있다. 0.020인치 강모들은 강철 표면을 적극적으로 청소하기 위해 함께 꼬여 있다. 이 유닛은 벤치 그라인더, CNC 기계, 및/또는 앵글 그라인더에 사용하기 위한 것이다. 애플리케이션에 따라, 직경이 4.5인치이면 모듈에서 휠을 쉽게 교체할 수 있다. 휠은 일반적으로 정격인 15,000RPM보다 훨씬 낮은 대략 1000RPM으로 회전한다. 와이어 브러시 휠 위치에는 초기 파이프 벽 청소 공정을 모니터링하는 카메라가 포함된다. 추가적인 패스가 요구되는 경우, 조작자의 재량에 따라 더 많은 패스들이 수행될 수 있다. 와이어 브러싱된 영역의 치수는 도 51에 도시된다. 사용될 유형의 와이어 브러시는 도 52에 도시되어 있다. 드럼 상의 와이어 브러시 준비 휠은 도 53에 도시되어 있다.

샌딩 위치들 1 및 2

와이어 브러시 위치와 유사한 방식으로, 드럼은 2개의 샌딩 휠 위치들을 수용한다. 샌딩 휠의 목적은 파이프 표면의 0.010인치를 제거하고 반복 가능한 측정에 도움이 되는 표면 마감을 남기는 것이다. 도 54에 도시된 바와 같이, 이 영역은 와이어 브러싱된 표면보다 길이가 상당히 짧다. 샌딩된 표면의 폭운 대략 1.75인치이며 중간에서 대부분의 재료가 제거된다. 영역의 길이는 대략 4인치 길이로 15-20개의 적절하게 간격을 둔 측정들을 수용하기에 충분하다(최소 10개가 필요하며 이는 측정을 반복하기 위해 축 거리를 허용한다). 현재 적절한 양의 재료를 제거하기 위해서는 60 그릿 샌딩 헤드로 (왕복으로) 4회 패스를 요구한다.

사용되는 샌딩 휠은 개별의 직물을 샌드페이퍼 뒤에 적층하여 제작된 기성품 4.5인치 경사진 샌딩 디스크일 수 있다. 이 표준 디스크는 36으로부터 최대 120까지 다양한 그릿으로 구입할 수 있으며 타당성 조사 중에 선택되었다. 디스크는 드럼에 경사지게 장착되어 오직 1.75인치 폭의 영역만 샌딩된다. 도 55는 드럼 상의 샌딩 휠을 도시한다.

샌딩 휠과 함께 거리 센서(도 56)와 샌딩 진행을 모니터링하는 카메라가 있다. 거리 센서는 드럼과 표면 사이의 거리를 측정한다. 샌딩 휠이 통과할 때마다 거리 센서가 준비의 상대적 깊이를 기록한다(도 57 참조). 적절한 깊이가 기록된 때, 준비는 중단된다. 이 공정은 현재 설계에 통합되기 전에 파이프 내에 샌딩 모터와 센서를 사용하여 시험되었다(도 58 참조).

로크웰 압입기(Rockwell Indenter):

드럼 상의 제4 요소는 압입기 유닛을 수용한다. 이 유닛은 파이프의 준비된 표면을 따라서 설정된 하중 조건에 따라서 파이프를 압입한다. 압입부들은 준비된 영역의 중앙을 따라 만들어진다(도 59 참조). 도 59에 도시된 바와 같이, 압입기 요소의 윤곽(빨간색 선)은 앞에서 설명된 와이어 브러싱된 영역 내부에 맞춰진다.

경도 시험기들에 대한 시험 표준은 이동식 유닛에서 로크웰 방법을 사용하여 측정하기 위한 다음의 일반적은 가이드라인을 제공한다(CRTD Vol. 91로부터):

직접 로크웰을 위한 최소 벽 두께는 0.250"이다.

다음 압흔의 에지(또는 재료의 에지)에 대한 변형의 중심은 압흔의 직경의 2.5배 이상이어야 한다. 연강(mild steel)의 경우, 이는 압흔들의 중심들 사이에 최소 2.5mm가 유지되어야 함을 의미한다.

이동식 시험기가 실험실 결과와 동등한 것으로 간주되려면, 측정값이 실험실 값의 96 - 102% 이내여야 한다.

변동 계수(COV: coefficient of variation)는 0.07보다 높지 않아야 한다. 이는 10회 측정의 평균에 대한 표준 편차의 비율로 계산된다.

측정 범위는 평균값의 10%를 초과하지 않아야 한다.

전자석들을 가지는 압입기 유닛은 도 60에 도시된다. 이는 다음의 구성요소들로 구성된다:

직접 로크웰을 위한 최소 벽 두께는 0.250"이다.

파이프 벽에 조립체를 홀딩하기 위한 전자석들; 이는 원하는 정확도를 달성하는 데 중요한 것으로 입증되었다.

선형 액추에이터의 단부에 1/16" 직경의 텅스텐 강철 볼 압입기

60-120㎛(1㎛ 분해능)의 압입부를 측정할 수 있는 선형 엔코더(encoder)

0.1% 분해능을 가진 최대 100kgf의 로드 셀(load cell)

제어 회로 기판

상기 유닛 자체는 로크웰 B 스케일(ASTM E18)에 규정된 적절한 하중 크기, 접촉 속도, 및 체류 시간을 제공하도록 설계되었다. CRTD Vol 57에서 항복 강도 값으로 직접 변환될 수 있기 때문에 로크웰 B 스케일이 사용되었다. 이 시나리오에 대한 하중은 다음 표 2에 설명되어 있다.

파라미터	값	단위
F0	10	[kgf]
F1	100	[kgf]
압입기 크기	1.588	[mm]

여기에서 개발된 압입기 유닛으로 직접 로크웰 측정을 얻기 위해 취해야 할 단계들은 다음과 같다:

유닛을 배치하고 자석을 작동시킨다

압입기를 10(F₀)으로 로딩하고 깊이 판독값을 0으로 설정한다

압입기를 100(F1)까지 로딩한다

압입기를 다시 (F0)으로 언로딩한다. 로크웰 경도값을 제공하는 깊이 측정을 수행한다.

횡자속 누설(TMFL : Transverse Magnetic Flux Leakage):

익스플로러 로봇의 기존 센서들은 손실에 대한 파이프의 금속 손실 프로파일을 결정할 수 있다. 현재 익스플로러 도구의 자속 누설(MFL) 센서는 파이프 벽을 축 방향으로 자화시킨다. 이 방식에 대한 민감도가 감소된 영역들 중 하나는 크랙과 같은 축 방향으로 정렬된 이상들(anomalies)이다. 도 61에 도시된 바와 같이, 횡자속 누설(TMFL)로도 알려진, 자화를 90도 회전시킴으로써, 축방향으로 정렬된 크랙들의 검출이 달성될 수 있다.

도 62에 도시된 실험들으로부터의 데이터는 원주방향의 자장을 사용하여 크랙의 검출 가능성을 도시한다. 250WT 플레이트 내의 42% 깊이의 결함에 걸쳐 북극(적색)과 남극(청색)이 표시된다. 표시된 색상 플롯(color plot)은 플레이트 표면을 따라서 반경방향 필드 벡터를 직접 측정함으로써 얻어진, 크랙 부근의 반경방향 홀 센서(radial hall sensor) 판독값을 나타낸다. 크랙 흔적이 선명하게 보인다.

TMFL 센서에 대한 바람직한 접근법은 가능한 가장 짧은 모듈 길이에서 파이프 원주의 전체 커버리지를 달성하는 것이다. 크랙 센서는 두 세트의 환형 막대들을 사용한다. 감지 섹션들이 서로 근접해 있기 때문에 자장 강도(field strength)가 약간 감소할 수 있지만 균열 검출의 경우 허용 가능하다. 도 62와 유사한 시험들은 자극들의 가장자리 주변 영역에서도 크랙들의 검출 가능성을 보여준다.

전자기 음향 변환기(EMAT: Electromagnetic Acoustic Transducer):

EMAT는, 변환기와 테스트 항목 사이에 일반적으로 젤 또는 물과 같은 음향 접촉매질(acoustic couplant)을 사용할 수 없는 애플리케이션에 초음파 방법을 도입한다. 이는 파이프 내부에 액체를 도포하는 것이 바람직하지 않은 가스 파이프라인의 경우이다. EMAT는 재료를 통해 음향 펄스를 이동시키는 펄스 코일과 함께 기본 재료 내에 자기장을 요구한다.

익스플로러에 EMAT 센서를 구현하는 것은 파이프 원주 둘레로 이동하는 음향 펄스의 생성을 위해 적절한 자기장을 설정하는 것을 포함한다. 자기장 내에는, 이 전자기 펄스를 송수신하는, 파이프 벽에 가능한 한 가까이 있는 코일 또는 권선들이 있다. 이러한 구성요소들 및 대응되는 전자기기들은 파이프라인 상태에 적합한 방식으로 패키징될 필요가 있다. EMAT 데이터 수집을 위해 요구되는 물리적 요소들은 다음과 같이 요약된다:

(1) 자기장: 자기장은 전기 권선과 함께 요구된다. 자기장은 파동의 이동 방향에 실질적으로 수직이다. 경사진 각도는 신호의 크기를 향상시킬 수 있다.

(2) 송신기 펄서 및 코일: 결합된 시스템, 고전압 펄스가 음향 펄스로 파이프 벽을 여기시키는 권선에 적용된다. 이 시스템에 사용되는 고전압 펄스는 코일의 형상에 따라 500-600kHz 범위 내이다. 펄스는 고전압(300V 피크)이지만 이 전압이 버스트(burst)로 적용되기 때문에 전체 듀티 사이클은 낮다.

(3) 수신기 코일 및 신호 처리: 권선 바로 아래의 자기제한력(Magnetorestrictive force)은 고체를 통과할 때 전기 신호를 생성한다. 처음으로 보이는 펄스는 파이프를 통해 수신 코일로 직접 이동하는 펄스인 직접 펄스이다. 직접 펄스 이후의 모든 응답은 일반적으로 파이프 내에서 직면하는 에지들의 반사이다. 이러한 에지들은 시임 용접부, 금속 손실, 또는 크랙 특징부들일 수 있다. 데이터는 데이터 분석 소프트웨어로 다운로드하기 위해 온보드 플래시에 저장된다.

EMAT 제어기: 다수의 송신기들의 경우, 다음 펄스가 생성되기 전에 펄스 진폭이 감쇠되도록 하는 방식으로 펄스들이 정렬될 필요가 있다. 임의의 주어진 시간에, 하나보다 많은 펄스가 원주 방향으로 이동하는 경우, 반사 경로는 수신된 신호에서 다수의 피크들을 가질 것이다. 따라서, 다수의 송신기들에서 생성된 펄스와 반사를 검출하는 데 사용되는 수신기는 정확하게 스케쥴링될 필요가 있다. 이는 파이프 주변의 모든 송/수신 유닛들에 대한 동기화 및 스케쥴링을 제공하는 EMAT 제어기에 의해 수행된다.

EMAT 구성요소들, 송신기들 및 수신기들은 도 64에 도시된 바와 같이 파이프 원주 둘레에 배열될 수 있다. 크랙들의 EMAT 검출은 도 65에 도시되어 있다.

시스템 설계(System Design):

크랙 센서: 언피거블 파이프라인들에서 축 방향으로 정렬된 크랙들을 검출하기 위해 두 가지 상이한 기술들이 결합되었다. 이 기술들은 EMAT(Electro Magnetic Acoustic Transducer)와 TMFL(Transverse Magnetic Flux Leakage)이다.

감지 섹션의 핵심 양태는 파이프 벽 둘레에 전체 원주 필드에 대한 요구 사항이다. 이 필드는 개발 중에 많은 시험 설정을 요구하였다. 감지 섹션은 모델 내에서 분할된 8-12개의 극들로 구성되어 홀 센서들이 전체 원주를 커버하도록 한다.

감지 섹션 개념은 각각 10개의 극들을 가지는 6개의 나선형 섹션으로 분리된 총 84개의 개별 극들을 가진다. 섹션들은 도 65에 도시된 바와 같이 MFL 센서들로 전체 커버리지를 허용하는 방식으로 나선형으로 구성된다. 도 66에 도시된 나선형 센서의 대표적인 단면에서 볼 수 있듯이, 극들 각각은 접을 수 있도록 하기 위해 로봇의 중심으로부터 상하로 작동된다. 자석들은 백킹 바(backing bar) 내에 반경방향으로 삽입된 회전 자석 로터를 통해 켜지거나 꺼진다. 도 66은 또한 파이프 벽 내의 자기장의 방향이 원주 방향임을 보여준다.

이러한 구성은 견인력 특성을 감소시키고 파이프 벽의 자기장 강도를 증가시키기 위해 요구되었다. 극들의 증가된 수 때문에, 센서가 둘레 용접부(girth weld)(파이프 세그먼트들을 함께 연결하는 용접부)과 같은 특징부 위로 이동할 때, 전체 극의 이동을 요구하는 대신에 각각의 극이 특징부 위를 넘어서 이동할 수 있다. 이 접근 방식은 도 67에 도시되어 있으며 감지 섹션에서 더 낮은 피크의 견인력을 초래한다.

자속(magnetic flux)은, 개발 중에, 구성에 대해 시뮬레이션되었으며 도 68에 도시되어 있다. 각각의 극은 홀 센서가 위치하게 될 적절한 자속 크기의 영역을 가진다. 이들은 도 68에서 빨간색 상자로 표시된다. 이 도면에서 볼 수 있듯이, 이러한 센서들은 섹션들 사이에서 축 방향(수직)으로 서로 겹쳐진다. 이러한 센서 레이아웃을 구현하기 위해, 센서들은 4개의 센서 요소들로 그룹화되었으며 도 69에서와 같이 각각의 뱅크를 따라서 엇갈리게 배치되었다. 도 69에서, 센서들은 전체 원주에 대해 보라색 중첩으로 표시된다. 자기장 방향은 회색 화살표로 표시된다.

EMAT 센서들은 자기장이 축 방향으로 퍼지는 극의 양단부에 위치하며(도 70), 이는 원주방향의 전단파(shear waves)를 생성하는 데 필요하다. 전단파 방향(분홍색 화살표)은 파이프 둘레로 원주방향이다. 극들에서 자기장(회색 화살표)은 파이프 축 방향으로 퍼진다.

EMAT 센서들은 바람직하게는 파이프 내에서 이동하는 음파에 대한 전송 및 감지 기능을 처리하는 3개의 제어기들을 가진다. 송신기는 펄스 제어 모듈과 펄스 구동 모듈을 가진다. 펄스 제어 모듈은 24V를 고전압 소스로 변환하고 펄스 구동 모듈의 제어 라인들을 전환한다. 펄스 구동 모듈은 소스 및 제어 라인을 사용하여 코일을 원하는 주파수와 듀티 사이클로 구동시킨다. 공간 제약으로 인해, 펄스 구동기와 펄스 제어기는 로봇의 양단부에 위치한다. 센서에는 2개의 EMAT 송신기들(제어 및 구동 쌍)이 있다. EMAT 수신기 모듈은 EMAT 신호를 증폭, 필터링 및 기록하는 디지털 및 아날로그 부분을 가진다. 센서에는 바람직하게는 4개의 EMAT 수신기들이 있다.

극들(poles)은 로봇의 최소 직경까지 후퇴될 수 있으므로, 센서는 파이프의 코너들을 돌아서 론칭(launch) 및 추출을 위해 사용되는 핫 탭(hot tap) 내부로 복귀될 수 있다(도 66 참조). 극들을 이동시키기 전에, 자석들은 꺼질 필요가 있다. 자기장은 도 71에 표시된 로터 쌍(rotor pair) 개념을 사용하여 제어된다. 로터 쌍은 고정된 자석과 회전하는 자석을 가진다(도 71 참조). 로터들이 같은 방향을 향할 때, 자석들은 켜진다. 하나가 180도 회전된 때, 자기장은 블록을 빠져 나간다.

자석 쌍들은 백킹 바(backing bar) 내에 포함되며, 감지 섹션의 길이를 따라서 나선형으로 배열된다(도 72 참조). 로터들은 각각의 단부로부터 작동되어 자석들을 켜고 끈다. 백킹 바는 또한 추출 및 전개 중에 자석 극들을 위한 슬라이딩 표면을 형성한다.

전체 시스템은 도 73에서 볼 수 있다. 한 세트의 극들과 한 세트의 백킹 바들이 도시되어 있다. 극들은 크랙 센서 몸체 중간에 있는 중앙 기어박스로부터 작동된다. 극 액추에이터 기어박스는 파이프 벽까지 반경방향 바깥쪽으로 구동시키기 위해 30개의 극들과 연결되는 30개의 지점들을 가진다. 상기 극들 중 나머지는 구동된 극들에 연결된다. 션트 메커니즘(shunt mechanism)은 총 12개의 모터들에 대한 6개의 자기 섹션들 각각에 의해 각각의 단부로부터 구동된다. 극 전개 모터와 션트 모터(shunt motor)는 모두 감지 섹션의 각각의 단부에 있는 2개의 모터 제어기들로부터 제어된다. 전원 제어, 통신, 및 EMAT 동기화도 감지 섹션의 각 단부로부터 제어된다. 모든 제어 보드들은 감지 섹션의 각 단부에서 2개의 커넥터 보드들에 부착된다. 모터들, 센서들, 및 다른 주변기기들은 조립, 시험 및 디버깅(debugging)을 단순화하기 위해 커넥터 보드들에 부착된다.

크랙 센서의 각 단부에 부착된 조향 모듈은 검사 중에 센서의 무게를 지지하는 지지 바퀴들을 포함한다. 이러한 지지 방법 때문에, 크랙 센서의 견인력은 현재 익스플로러에 의해 견인되는 종래의 축방향 MFL 시스템과 비교할 수 있는 수준으로 더욱 감소된다. 모든 새로운 구성요소들은 실시간 시험에서 작동을 보장하기 위해 개별적으로 750[psi]의 압력 시험을 거쳤다.

전반적으로, 새로운 크랙 감지 섹션은 다음의 구성요소들로 구성된다:

파이프 벽에 접촉되는 6개의 접을 수 있는 자극 섹션들. 각각의 극 섹션은 최대 10개의 극들을 가진다.

각각의 자극은 나선형으로 되어 있어 파이프 원주의 완전한 커버리지를 달성하기 위해 나선형이다.

자속 누설을 측정하기 위해 홀 센서들이 극들 사이에 배치된다.

2개의 EMAT 송신기들과 4개의 EMAT 수신기들이 극들의 단부들에 위치한다.

자기 섹션은 각 단부에 접을 수 있는 롤러들에 의해 파이프 내에 지지된다.

맞춤형 조향 모듈들은 파이프를 통해 크랙 센서를 피치(pitch) 및 회전시킨다.

크랙 센서 분석 도구들은 데이터에서 식별된 이상들(anomalies)을 관찰하고 궁극적으로 크기를 결정하기 위해 데이터를 구성하는 데 사용되는 기능들과 방법들이다. 데이터는 관찰 소프트웨어(DataTel이라는 이름으로 상용화됨)에서 나란히 보일 때까지 별도로 수집되고 구성된다. 크랙 센서로 스캔 중에 로봇에 의해 수집되는 네 가지 주된 데이터 유형들이 있다. 첫째, 로봇이 파이프라인 내에 있을 때, 내비게이션 및 로봇 구성이 기록된다. 이 데이터로부터, 분석가는 로봇 위치와 파이프 내부의 표시들과 같은 다른 결함 표시를 결정할 수 있다. 둘째, 로봇은 로봇의 후방에 있는 세 대의 카메라들과 레이저 링을 사용하여 MDS(기계적 손상 센서) 데이터를 수집한다. 이 과정은 이전 섹션에 설명되었다. 셋째, 크랙 센서는 파이프 벽 둘레에 배열된 24개의 개별 센서 요소에 대한 TMFL 데이터를 수집한다. 이 데이터는 센서 요소들에 직접 저장되고 검사 종료 시 다운로드된다. 넷째, EMAT 데이터는 파이프 벽 둘레에 배열된 4개의 수신기들에 수집 및 저장된다.

로봇 구성(Robot Configuration): 현재 설계된 바와 같이, 로봇 전체의 각도 및 위치 센서로부터 수집된 로봇의 전체 구성은 실행 중에 기록된다. 배터리 수준, 전원 상태, 통신 강도 등과 함께 실행 후 로봇의 위치가 재구성될 수 있다. 이는 로봇 로그 파일들로부터 다양한 변수들을 추출하고 플로팅하는 파서(parser)를 사용하여 수행된다. 로그 파일들은 또한 파이프 내에서 로봇의 위치를 추적하는 로봇의 주행 거리계 정보를 포함한다. 이 정보는 스캔을 정의하는 데 사용되며, 이러한 방식으로, 로우 데이터(raw data)는 사전 처리를 위해 세그먼트들로 분할된다. 스캔 정의는 모든 데이터를 파이프 내의 특정 위치에 정렬하고 매핑하는 시간 및 공간 동기화 단계를 포함한다. 로봇 구성 데이터의 경우, 스캔이 정의된 때, 관찰 소프트웨어(viewing software) 내에 파라미터들이 설정되어 로그 파일 내의 특정 위치에 액세스하여 비디오 및 로봇 위치를 자동으로 관찰할 수 있다. 크기 결정(sizing)은 로봇 구성에 의해 명시적으로 수행되지 않지만, 둘레 용접부, 잔해물, 변색, 제조업체 표시, 큰 오목부, 및 심지어 큰 부식 부분을 포함하는 내부 벽 상의 몇몇 표시들이 보일 수 있다. 이러한 입력들은 MDS, EMAT 및 TMFL 센서들로부터의 다른 데이터를 확증하는 데 사용된다.

횡자속 누설: TMFL 데이터 취급은 구현 프로세스 중에 관찰 소프트웨어에 통합된다. TMFL 데이터의 데이터 취급은 축방향 MFL 기술과 일치한다. 홀 센서 데이터는 유사한 방식으로 수집 및 저장되고, 데이터는 동일한 스크립트를 사용하여 공간적으로 샘플링되며, DataTel에 입력되는 결과적인 데이터 파일들은 동일하다. DataTel은 시작 시 구성 로봇을 사용하여 TMFL과 축방향 MFL 데이터 사이를 구별하기 위해 약간 수정되었다.

TMFL 데이터와 축방향 MFL 데이터의 응답 사이의 세 가지 주요 차이점은 다음과 같다:

(1) TMFL 데이터는 자속 누설 패턴의 반경방향 성분만을 사용하여 샘플링된다. 이는 신호의 거동이 종래의 센서에서 보다 파이프 벽에서 들어 올려진 센서들에 더 민감할 것이라는 것을 의미한다. 신호의 패턴은 축방향의 경우와 유사하다.

(2) 각 뱅크에는 전체 커버리지를 달성하기 위해 엇갈린 4개의 센서 요소들이 있다. 이 때문에, 센서들에 약간의 중첩이 있다. 이러한 중첩은 사전 처리 중에 고려되어야 할 필요가 있다.

(3) 센서 요소들은 파이프 축을 따라서 서로 오프셋된다. 이는 이들이 상이한 스캔 위치에서 파이프의 상이한 영역을 측정한다는 것을 의미한다. 이는 분석가가 데이터를 공간적으로 정렬할 때 판독값들을 서로에 대해 이동시킬 것을 요구한다.

도 74는 크랙 센서 및 MDS의 취급을 개략적으로 도시한다.

TMFL 센서가 직면하는 주요 장애물은 센서들의 보정, 및 크랙들이 검출된 후 얼마나 깊은 크랙들인지 결정할 수 있는 크기 결정 알고리즘의 개발이었다.

전자기 음향 변환기(EMAT: Electromagnetic Acoustic Transducer):

크랙 센서는 다수의 펄서들(pulsers)에 의해 생성된 펄스들에 응답하는 파이프 벽 둘레의 다수의 수신기들로부터 EMAT 데이터를 수집한다. 이 데이터는 EMAT 수신기들에 샘플로서 직접 저장된다. 각각의 펄스는 각각의 수신기에서 하나의 샘플을 생성한다. 시험에 사용된 실험 유닛의 샘플이 도 75에 도시되어 있다. 도면은 펄서들(분홍색으로 표시된 송신기들)와 금색으로 표시된 수신기들을 가진 파이프의 단면을 보여준다. 임의의 펄서 쌍 사이에는 2개의 수신기들이 있다. 파이프의 벽을 따르는 화살표들은 생성된 전단파(shear wave)의 방향을 보여준다. 수신기에 의해 포착되는 전형적인 파동은 도 76과 77에 도시된다. 초음파 검사 산업에서, 이는 진폭 변조 스캔 또는 A-스캔으로 알려져 있다.

직접 펄스(Direct pulse) - 이는 수신기가 검출할 수 있는 최초의 파동이며 진폭이 가장 높다. 이는 송신기와 수신기 사이의 최단 경로이다. 이 펄스는 벽 두께 변화, 시임 용접부, 및/또는 결함들과 같은 특징부들의 존재에 의해 감쇠될 수 있다.

특징부 반사(Feature reflection) - 특징부들을 떠나는 파동의 반사는 더 긴 거리를 이동할 필요가 있기 때문에 직접 펄스보다 나중에 센서에 의해 판독된다. 이들은 직접 펄스 후 언제든지 올 수 있으며 일반적으로 진폭이 더 작다.

제1 일주 이동(First round travel) - 이는 파이프 둘레를 한 번 완전히 회전한 후의 동일한 직접 펄스이다. 송신기가 양방향으로 펄스를 방출하기 때문에 이들은 쌍으로 발생한다. 송신기와 수신기가 동일한 위치에 있지 않기 때문에 하나의 펄스는 더 짧은 거리를 이동한다.

센서가 파이프를 통해 이동되고 개별 지점들에서 샘플링되면, 신호들이 서로 옆에 쌓일 수 있다. 거리는 x-축에 표시되고 시간은 y-축에 표시된다. 진폭은 z-축에 또는 등고선 그래프의 색상을 통해 표시된다. 이 그래프의 샘플이 도 78에 도시되어 있다. 직접 펄스는 가장 높은 값이며 그래프의 하단에 일관된 선으로 표시된다. 펄서와 수신기 사이의 거리는 시험 장치에 의해 고정되기 때문에 직선이다. 볼 수 있는 다음 선은 시임 용접부의 반사이다. 일주 이동의 이중 피크들은 시호 내에서 나중에 볼 수 있다.

조작자가 검사 중에 신호의 품질을 평가할 수 있도록 익스플로러에 탑재된 EMAT에 대해 실시간 데이터 관찰이 구현되었다.

여기에서 설명된 본 발명의 현재 실시예에서, 센서 상의 모든 EMAT 채널들로부터의 데이터를 처리하고, 공간적으로 샘플링하며, 채널들의 크기를 분석하는 능력이 있다.

파이프라인 청소(PIPELINE CLEANING):

인라인 검사 도구들로 평가하기 위한 파이프라인을 준비하기 위해 많은 상이한 기술들이 사용된다. 이러한 기술들을 적용하는 것은 파이프라인 벽에 축적물과 잔해물이 없도록 보장하기 위해 종종 다수의 청소 작업의 계획과 실행을 수반한다. 금속 손실 측정은 일반적으로 센서를 파이프 벽 내부 가까이에 또는 직접 배치하는 것을 의미하기 때문에, 깨끗한 파이프 벽은 인라인 검사에 중요하다. 또한 파이프 청소는 일반적으로 제품 처리량의 장비 신뢰성 및 효율성과 관련된 운영 비용 측면에서 파이프라인 운영자에게 절약을 의미한다. 파이프라인이 종래의 수단에 의해 피깅될 수 없을 때, 파이프라인을 내비게이팅하기 위해 전문화된 로봇들이 사용된다. 파이프를 통해 이동하는 수단은 크게 다를 수 있지만, 감지 기술은 최적의 감도를 위해 여전히 파이프 벽에 접근해야 한다. 언피거블 파이프라인들을 청소하기 위한 이러한 알려진 기술들을 결합하는 방법은 InvoDane Engineering(IE)에 의해 평가되었다.

언피거블 파이프라인에 청소 기술을 적용하는 방법을 이해하기 위해, 다음의 접근 방식이 사용된다: (a) 인라인 검사 전에 사용되는 현재 청소 방법들을 평가한다; (b) 익스플로러를 사용하여 언피거블 파이프라인 내비게이션에 대한 현재 능력을 평가한다; (c) 일반 청소 요건을 개발한다; (d) 언피거블 청소 개념 구성을 평가한다.

파이프라인 청소 배경(Pipeline Cleaning Background):

파이프라인 청소는 세 가지 기본적인 기능 단계들로 분류될 수 있다(도 79 참조). 먼저, 파이프 벽으로부터 잔해물 또는 축적물이 제거된다. 이는 스크레이퍼(scraper), 브러시, 및/또는 쟁기(plough)와 같은 다양한 수단을 통해 수행될 수 있으며, 압력 제트 또는 화학물질과 같은 다른 수단을 통해 도움을 받을 수 있다. 다음으로, 파이프 벽으로부터의 입자들/잔해물들이 파이프라인을 통해 운반된다. 마지막으로, 입자들/잔해물들은 피그 트랩(pig trap), 공정 장비, 또는 몇몇의 경우에 흡입 펌프를 통해 파이프라인 환경으로부터 제거된다.

언피거블 청소(Unpiggable Cleaning):

일반화된 요건 및 이용 가능한 청소 기술로부터, 이용 가능한 파이프라인 청소를 위한 기술의 범위를 평가하고 언피거블 청소에 적합한 것을 결정하는 것이 가능하다. 익스플로러 기술은 언피거블 라인들에서 파이프라인 청소를 위해 개발될 플랫폼의 기반으로 사용될 수 있다.

일반적으로, 파이프라인 내부에 액체를 추가하는 것은 액체가 제거되는 것을 보장하기 위해 후속 "청소(cleaning)"를 요구하기 때문에, 액체 상태의 제품의 사용을 포함하는 어떠한 방법도 고려되지 않았다. 검사 도구의 감지 섹션(MFL 센서)에 의해 픽업되어 문제를 일으킬 수 있는 자성 잔해물(magnetic debris)은 요구되는 경우 다른 자석 세트로 제거될 수 있다. 이는 브러시와 스크레이퍼를 파이프라인 청소를 위한 로봇 플랫폼에서 사용할 수 있는 기술로서 남겨 두었다.

언피거블 청소에 사용되는 구성은 흐름을 가진 파이프라인 섹션들과 흐름이 없는 섹션들 모두에 적용된다. 각각의 구성의 적용 가능성의 한계는 시험을 통해 그리고 개별 파이프라인의 파라미터들에 의해 결정된다.

위에 열거된 제약을 사용하여, 현재의 익스플로러 기술은 부분적으로는 언피거블 청소를 달성하기 위해 구축하는 기술로 사용된다. 따라서, 무선 제어 및 자체 전원 작동이 유지된다.

흐름에 의한 언피거블 청소(Unpiggable Cleaning With Flow): 이 구성에서, (벽으로부터 잔해물을 제거하기 위한) 청소 모듈은 2개의 구동 모듈들 사이에 배치된다(도 80 참조). 청소 모듈은 파이프 벽으로부터 잔해물을 제거하는 역할을 한다. 다양한 잔해물 시나리오에 대해 다양한 청소 섹션들 사용된다. 청소 진행 상황을 모니터링하고 조작자에게 청소 과정에 대한 사전 결정된 수준의 제어를 제공하기 위해 카메라가 설치된다. 접이식 구속장치(foldable restriction)가 도구에 위치하여 도구 전체에 압력 차이를 유발할 수 있다. 구속장치의 주된 목적은, 잔해물을 분리하기 위해 파이프 벽을 향하게 하는 것이 아니라 도구의 전방에 잔해물을 떠 있도록 하기 위해 제트(jet)를 생성하는 것이다. 약간의 압력 강하가 도구에 큰 힘을 가하므로, 이 장치를 전개할 때 주의를 기울여야 한다. 이 차압은 흐름에 "에너지를 공급"하고 잔해물을 도구의 전방을 향해 밀어내는 데 사용된다.

도구가 흐름과 함께 이동할 때, 강모들과 스크레이퍼들에 의해 청소가 수행된다. 흐름 제트(flow jet)를 생성하는 데 사용되는 차압에 의해 생성된 힘은 도구에 추진력을 제공하여 파이프를 통해 청소 모듈을 당기는 데 필요한 에너지를 보조할 수 있다.

사용되는 기술은 잔해물의 축적 및 그 운영상의 영향의 맥락에서 평가될 것이다. 가시성이 문제가 될 것이다. 청소 도구는 현재 익스플로러와 유사한 론칭 장치(launch arrangement)를 사용할 수 있다. 인라인 충전과 같은 다른 보조 기능과 구조 도구도 이 시스템에 적용될 수 있다.

청소 모듈은 20-36인치 파이프 크기를 위한 플러그 밸브 기하구조를 통과하도록 구성된다. 따라서, 엘보우와 티를 통과하며 청소가 가능하다. 연귀(miter) 굴곡부들(miter bends)은 도구의 경로를 따라서 청소되며, 굴곡부의 대부분의 영역들과 접촉하는 도구의 경로를 따라 청소됩니다. 90도 연귀의 경우에, 검사 로봇과 마찬가지로, 외부 코너의 부분이 접촉되지 않고 남을 수 있다.

파이프 벽으로부터 잔해물이 제거되어 가스 흐름 내에 떠 있으면, 잔해물 구름이 형성되어 파이프 아래로 계속 내려간다. 이를 취급하는 방법은 파이프라인의 구성에 의해 결정된다. 옵션에는 다음이 포함된다: (a) 잔해물은 검사 구역 밖으로 가라앉거나 종래의 청소 피그들을 사용하여 제거될 수 있는 곳까지 파이프라인을 따라서 계속 내려간다. (b) 잔해물은 표준 수용 챔버 또는 분리기에 도달할 때까지 파이프라인을 따라서 계속 내려간다. 이는 기체-고체 분리기가 완비된 종래의 피깅(pigging) 설비에 의해 도구가 메인 라인 내부로의 티 브랜치(tee branch)를 청소하는 경우이다. (c) 이동식 가스-고체 분리 유닛이 하류 핫 탭의 파이프라인에 설치된다. 흐름은 분리기를 통과하여 다시 탭으로 향하고(도 81 참조), 하류에 위치한 제2 핫 탭에서 또는 동일한 핫 탭 내의 특수 리-디렉트(re-direct)에서 파이프라인 내부로 다시 들어간다. 더 큰 파이프에 대해서는, 다수의 분리 유닛들이 설치될 필요가 있다. 도 82는 웰 헤드(well head)를 배출하기 위한 이동식 분리기를 보여줍니다.

정상적인 흐름에 의한 언피거블 청소:

도구 구성에 대한 적절한 작동 사례를 개발하기 위해, 언피거블 파이프의 경우 핫 탭 위치를 위해 사용할 수 있는 옵션들이 제한되기 때문에 핫 탭들의 수가 최소화될 필요가 있다. 검사의 경우와 같이, 핫 탭들 사이의 거리는 도구 범위에 의해 결정된다. 대표적인 언피거블 라인이 도 83에 도시된다. 이는 다음의 경우들을 보여준다: (s) 언피거블 특징부들(unpiggable features)을 가진 흐름이 있는 파이프라인(청색); 및 (b) 언피거블 특징부들을 가진 흐름이 없는 라인(적색). 모든 라인들은 파이프라인 압력으로 가압된다.

2개의 미션 프로파일들(작동 조건)이 대표적인 언피거블 라인에 대해 고려된다. 정상적인 흐름에 의한 언피거블 청소의 경우, 도구 경로는 상류 핫 탭(위치 2)에서 시작하여 주황색 화살표로 표시된다. 기체-고체 분리기는 도표의 우측에서 위치 1에 설치된다. 청소될 섹션을 통한 흐름은 좌측으로부터 우측으로, 플러그 밸브 및 연귀 굴곡부와 같은 언피거블 특징부들을 통과하여 흐른다. 도구를 위한 충전 지점들은 상류 핫 탭과 잠재적으로 청소될 섹션 전체의 중간 지점들에 있다(5b). 파이프 섹션을 청소하는 단계들은 아래에 설명되어 있다(각 단계에 대해 도 84의 번호가 매겨진 위치들 참조).

a. 기체-고체 분리기는 청소될 섹션의 하류 핫 탭에 설치된다.

b. 이 도구는 상류 핫 탭을 통해 론칭된다. 도구가 위치 (1)로부터 론칭되는 경우, 기체-고체 분리기의 상류에서 청소가 일어나는 한 검사를 위해 오직 하나의 핫 탭이 요구될 수 있다.

c. (선택 사항) 이 도구는 상류에서 구동되어 원래 핫 탭으로 되돌아가면서 청소한다.

d. 도구가 재충전됩니다.

e. 청소 단계들: (a) 도구는 언피거블 특징부들을 통해 하류로 이동하면서 청소한다; (b) 인라인 충전 사양에 따라 상류 및 하류 핫 탭들 사이에 2인치 핫 탭을 통한 충전 위치가 요구될 수 있다. 도구는 단부 핫 탭, 또는 충전 위치에 도달할 때까지 이동한다. 필요한 경우 도구는 재충전된다.

f. 청소 단계들은 필요에 따라 반복된다(5a-5c).

g. 도구는 하류로 이동하며 청소하고 출구 핫 탭에서 끝난다. 이 시점에서 기체-고체 분리기가 파이프라인에서 분리되고 잔해물이 제거되어 폐기된다.

h. 론칭 장치(launcher)가 설치되어 도구가 분리된다(unlaunched).

청소 실행 중에, 도구는 추가 청소가 필요한 위치로 돌아가도록 반전될 수 있다. 축적물이 특히 두꺼운 경우 청소될 전체 섹션을 청소 도구로 여러 번 통과할 수 있다. 이 진행 중인 작업과 함께, 작업 중 또는 작업 후에 분리기로부터 잔해물을 제거할 수 있다.

예시적인 특허 청구항:

자율 로봇 언피거블 파이프라인 시험 시스템은 다음 중 하나 이상을 조합으로 포함한다:

종래의 인라인 파이프라인 검사 작업의 복잡성을 감소시키고 파이프라인 시험을 위한 특유하고 새로운 수단을 제공하기 위한 수단은 다음을 포함한다:

새로운 컴퓨터화된 자율 로봇 시스템,

터빈 수단, 로봇 견인 능력, 및 배터리 충전을 작동시키기 위해 파이프라인 내부의 가스의 흐름을 활용하기 위한 에너지 활용 수단,

새로운 구동 수단,

새로운 장벽(barrier) 수단,

자동화 컴퓨터 수단,

새로운 특징(feature) 인식 수단,

새로운 장애물 검출 수단,

새로운 굴곡부(bend) 검출 수단,

새로운 티(tee) 검출 수단,

파이프라인 매핑(mapping) 수단,

새로운 플러그 밸브 내비게이션(navigation) 및 기능 수단,

새로운 로봇 배터리 분배,

새로운 경도 시험 수단,

새로운 횡자속 누설 감지 수단,

새로운 전자기 음향 변환기 수단,

새로운 크랙 센서 분석 수단, 및

새로운 파이프라인 청소 수단.

Claims (3)

1. 능동 가스 운반 파이프라인 시험을 위한 자율 로봇 시스템으로서:
   상기 파이프라인 내에서 흐르는 가스 흐름 내에서 이동할 수 있는 원격 제어 로봇 조립체로서, 상기 가스 흐름은 동적 흐름 에너지(dynamic flow energy)를 나타내고, 상기 로봇 조립체는 상기 가스 흐름에 반응하는 회전 터빈을 포함하는, 로봇 조립체,
   상기 터빈에 반응하는 발전기,
   상기 발전기에 반응하는 배터리, 및
   상기 조립체를 이동시키기 위해 상기 발전기에 반응하는 구동 견인 수단(drive tow means)을 포함하며,
   상기 시스템은 상기 구동 견인 수단의 작동과 상기 배터리의 충전 중 어느 하나 또는 둘 다를 위해 상기 동적 흐름 에너지를 수확할 수 있는, 로봇 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   시스템 시험 또는 관찰을 용이하게 하기 위해, 각각 적어도 하나의 기능을 수행할 수 있는 복수의 모듈들을 포함하는, 로봇 시스템.
3. 언피거블(unpiggable) 파이프라인 시험을 위한 자율 로봇 시스템으로서, 상기 시스템은:
   종래의 인라인 파이프라인 검사 작업의 복잡성을 감소시키고 파이프라인 시험을 위한 특유하고 새로운 수단을 제공하기 위한 수단으로서,
   컴퓨터화된 자율 로봇 시스템;
   터빈 수단, 로봇 견인 능력, 및 배터리의 충전을 작동시키기 위해 파이프라인 내부의 가스의 흐름을 활용하기 위한 에너지 활용 수단;
   구동 수단;
   장벽(barrier) 수단;
   자동화 컴퓨터 수단;
   특징(feature) 인식 수단;
   장애물 검출 수단;
   굴곡부(bend) 검출 수단;
   티(tee) 검출 수단;
   파이프라인 매핑(mapping) 수단;
   플러그 밸브 내비게이션(navigation) 및 기능 수단;
   로봇 배터리 분배;
   경도 시험 수단;
   횡자속 누설 감지 수단;
   전자기 음향 변환기 수단;
   크랙 센서 분석 수단; 및
   파이프라인 청소 수단; 중 하나 이상을 조합으로 포함하는, 시스템.

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