Planificación de Trayectorias Autónomas Eficientes para Pruebas No Destructivas Ultrasónicas: Un Enfoque de Optimización Basado en Teoría de Grafos y Árboles K-Dimensionales
Autores: Zhang, Mengyuan; Sutcliffe, Mark; Nicholson, P. Ian; Yang, Qingping
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Planificación de Trayectorias Autónomas Eficientes para Pruebas No Destructivas Ultrasónicas: Un Enfoque de Optimización Basado en Teoría de Grafos y Árboles K-Dimensionales
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Inspección
Ndt
Robótica
Automatizada
Algoritmo
Superficie
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 22
Citaciones: Sin citaciones
Dentro del ámbito de la inspección no destructiva (NDT) robótica de estructuras complejas, los métodos existentes suelen utilizar una estrategia de planificación de trayectoria de robot fuera de línea. Comúnmente, para la inspección robótica, esto implicará una cobertura completa del componente. Se despliega una sonda NDT orientada normal a la superficie del componente en un patrón de escaneo raster. Aquí, se utilizan modelos digitales, con el usuario descomponiendo estructuras complejas en segmentos de trayectoria de escaneo manejables, mientras evita cuidadosamente obstáculos y otras características geométricas. Este es un proceso manual que requiere un operador robótico altamente calificado, que a menudo toma varias horas o días para refinar. Esto introduce varios desafíos a la NDT, incluyendo la necesidad de un modelo preciso del componente (que, para la inspección NDT, a menudo no está disponible), la necesidad de personal calificado y la consideración cuidadosa tanto del método de inspección NDT como de la estructura geométrica del componente. Este documento aborda el desafío específico de escanear superficies complejas utilizando un enfoque automatizado. Se presenta un algoritmo que es capaz de aprender una trayectoria de escaneo eficiente teniendo en cuenta las restricciones dimensionales de la huella de una sonda de matriz de fase ultrasónica (un método de inspección común para NDT) y la geometría de la superficie. La solución propuesta aprovecha un modelo digital del componente, que se descompone en una serie de nodos conectados que representan los puntos de inspección NDT dentro del proceso NDT; este paso utiliza la teoría de grafos. Las conexiones a otros nodos se determinan utilizando el vecino más cercano con optimización KD-Tree para mejorar la eficiencia del recorrido de nodos. Esto permite un equilibrio entre simplicidad y eficiencia. A continuación, se introducen restricciones de movimiento para permitir que el robot navegue por la superficie de un componente en un espacio tridimensional, definiendo obstáculos como áreas prohibidas, de manera explícita. Nuestra solución implica un proceso de planificación en dos etapas, de la siguiente manera: un llenado de inundación tridimensional modificado se combina con el algoritmo de camino más corto de Dijkstra. El proceso se repite de manera iterativa hasta que toda la superficie esté cubierta. La eficiencia de este enfoque propuesto se evalúa a través de simulaciones. La técnica presentada en este documento proporciona un método mejorado y automatizado para la inspección robótica NDT, reduciendo la necesidad de personal calificado en la planificación de trayectorias robóticas mientras se asegura una cobertura completa del componente.
Descripción
Dentro del ámbito de la inspección no destructiva (NDT) robótica de estructuras complejas, los métodos existentes suelen utilizar una estrategia de planificación de trayectoria de robot fuera de línea. Comúnmente, para la inspección robótica, esto implicará una cobertura completa del componente. Se despliega una sonda NDT orientada normal a la superficie del componente en un patrón de escaneo raster. Aquí, se utilizan modelos digitales, con el usuario descomponiendo estructuras complejas en segmentos de trayectoria de escaneo manejables, mientras evita cuidadosamente obstáculos y otras características geométricas. Este es un proceso manual que requiere un operador robótico altamente calificado, que a menudo toma varias horas o días para refinar. Esto introduce varios desafíos a la NDT, incluyendo la necesidad de un modelo preciso del componente (que, para la inspección NDT, a menudo no está disponible), la necesidad de personal calificado y la consideración cuidadosa tanto del método de inspección NDT como de la estructura geométrica del componente. Este documento aborda el desafío específico de escanear superficies complejas utilizando un enfoque automatizado. Se presenta un algoritmo que es capaz de aprender una trayectoria de escaneo eficiente teniendo en cuenta las restricciones dimensionales de la huella de una sonda de matriz de fase ultrasónica (un método de inspección común para NDT) y la geometría de la superficie. La solución propuesta aprovecha un modelo digital del componente, que se descompone en una serie de nodos conectados que representan los puntos de inspección NDT dentro del proceso NDT; este paso utiliza la teoría de grafos. Las conexiones a otros nodos se determinan utilizando el vecino más cercano con optimización KD-Tree para mejorar la eficiencia del recorrido de nodos. Esto permite un equilibrio entre simplicidad y eficiencia. A continuación, se introducen restricciones de movimiento para permitir que el robot navegue por la superficie de un componente en un espacio tridimensional, definiendo obstáculos como áreas prohibidas, de manera explícita. Nuestra solución implica un proceso de planificación en dos etapas, de la siguiente manera: un llenado de inundación tridimensional modificado se combina con el algoritmo de camino más corto de Dijkstra. El proceso se repite de manera iterativa hasta que toda la superficie esté cubierta. La eficiencia de este enfoque propuesto se evalúa a través de simulaciones. La técnica presentada en este documento proporciona un método mejorado y automatizado para la inspección robótica NDT, reduciendo la necesidad de personal calificado en la planificación de trayectorias robóticas mientras se asegura una cobertura completa del componente.