Design and development of a prototype robot for penstock exploration

This thesis describes the realization of a working robot prototype which allows to improve and facilitate penstock exploration for human operators, by inspecting the internal surface of the conduit. Describing the geometrical properties required by such solution and the adopted final structure, emphasizing the study of the possible control laws for the robot. With this research, three main control approaches are described and tested: two based on a moving mass system which leverages the inherent stability of the penstock and one based on a PID controller, showing their benefits and downsides. Only two of these approaches provides satisfying results, one based on the moving mass and the other one based on the PID. The moving mass allows to shift the robot center of gravity allowing it to maintain the desired trajectory for inspection, while the PID controller uses IMU sensed to produce adaptive controls, keeping the robot centered in the conduit. Between these two strategies, the PID control is the one implemented in the final prototype, due to its better performance and adaptability.

Questa tesi descrive la realizzazione di un prototipo di robot che consente di migliorare e facilitare l'esplorazione delle condotte forzate per gli operatori, andando ad ispezionare la superficie interna della condotta stessa. Vengono descritte le proprietà geometriche richieste da tale soluzione e la struttura finale adottata, con particolare enfasi sullo studio delle possibili leggi di controllo per il robot. In questa ricerca vengono descritti e testati tre principali approcci di controllo: due basati su un sistema a massa mobile che sfrutta la stabilità intrinseca della condotta forzata e uno basato su un controllore PID, evidenziando i loro vantaggi e svantaggi. Solo due di questi approcci forniscono risultati soddisfacenti: il primo basato sulla massa mobile e il secondo sul PID. La massa mobile permette di spostare il centro di gravità del robot, consentendogli di mantenere la traiettoria desiderata per l'ispezione, mentre il controllore PID utilizza i dati rilevati da un IMU per produrre velocità adattive, mantenendo il robot centrato nel condotto. Tra queste due strategie, il controllo PID è quello implementato nel prototipo finale, grazie alle sue migliori prestazioni e adattabilità.