Tesis:
New methods for remote handling robotic procedures applied to environments under radiation
- Autor: REDONDO GALLEGO, Violeta Isabel
- Título: New methods for remote handling robotic procedures applied to environments under radiation
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/89805/
- Director/a 1º: FERRE PÉREZ, Manuel
- Resumen: This thesis focuses on RH applied to maintenance procedures in large scientific facilities under radiation environments. RH consists of using robotic systems to execute tasks that could present any hazard to humans.
The contributions presented are the result of a careful and deep study of the available state of the art and the ongoing collaboration with different scientific facilities such as CERN and IFMIF-DONES. The topics of interest are automation strategies in RH applications, radiation effects on electronic components and robotic tooling design because of their great importance for the advancement of this field.
Traditionally, RH procedures have been performed using teleoperation. This means that a person guided the robot manually throughout the whole operation process, often using a master-slave architecture. However, recently efforts are being done to increase the automation level of RH applications, getting to supervisory control. This control mode consists in the automation of the activities, but always maintaining a human in the loop responsible for validating the advance of the procedure and closing the control loops. This is a key aspect because when implementing a new RH procedure, it is vital to give the operator relevant feedback about the status of the working environment and establish meaningful validation tests to ensure the correct execution of the task. To reach this automation level it is necessary to previously carry out a failure analysis exploring mitigation strategies and courses of action in case of accidents. This thesis proposes a supervisory control diagram for the implementation of new RH procedures and applies it to different real life maintenance activities.
Studying the effects of radiation on electronic components is a key aspect for the maintenance of accelerators and other scientific facilities, because it is very important to guarantee the proper functioning of the equipment introduced in the working environment. Rescue and recovery operations can be complicated due to the restricted access to areas under radiation. For this reason, it is necessary to characterize in advance the radiation exposure limits of the equipment to be used and measure their absorbed dose while working. This thesis presents a detailed study of the available options and suitability depending on the radiation levels expected in the working environment. For this purpose, commercially available radiation hardened devices are analysed, along with the radiation resistance to expect for conventional commercial ones and different mitigation strategies. Theoretical analysis of robotic tools radiation resistance, are presented. Also, real radiation exposure tests performed on servomotors, controllers and a 3 degrees of freedom robotic arm.
Finally, it is important to remark that it is not possible to develop a generic robotic tool to be used in all RH procedures and facilities. It is always advised to use commercial components, however often requirements result in the development of specific custom tools for each task. For this reason, in this thesis a careful study has been done of the existing design methodologies and an innovative classification of the most common RH tasks in maintenance procedure is proposed. The goal of this classification is to remark on the common characteristics of the tools belonging to each group, finding generalities to take into account in the design of future tools. To illustrate this work, several examples of bolting and gripping tools are presented, including the development and laboratory tests for their validation.
In conclusion, this thesis proposes innovative methods for the implementation of new RH applications in environments under radiation, covering from the control architecture to the selection of components and tooling design. Thanks to the ongoing collaboration with different scientific facilities, it has been possible to apply the work developed to the problems they were facing.
RESUMEN
Esta tesis se centra en la MR aplicada a los procedimientos de mantenimiento de instalaciones científicas con entornos radiactivos. La MR consiste en el uso de sistemas robóticos para la ejecución de tareas que pueden resultar peligrosas para las personas.
Las contribuciones presentadas son el resultado de un cuidadoso estudio del estado del arte y la colaboración con grupos de MR en diferentes instalaciones científicas como el CERN o IFMIF-DONES. Por su gran importancia para el avance de esta disciplina se apoyan en tres pilares fundamentales: las estrategias de automatización de procedimientos de MR, los efectos de la radiación sobre los componentes electrónicos y el diseño de herramientas robóticas.
Tradicionalmente, los procedimientos en los que se ha usado MR han sido teleoperados. La persona a cargo guiaba al robot manualmente en todo momento, normalmente a través de una arquitectura de maestro y esclavo. Sin embargo, recientemente hay un interés creciente por la evolución hacia el control supervisado, caracterizado por la automatización de las tareas, pero manteniendo a la persona a cargo para validar el avance y cerrar los correspondientes lazos de control. Esto es un aspecto clave, ya que para implementar estos sistemas es necesario devolver a la persona información relevante y establecer criterios de validación significativos, garantizando así la correcta ejecución de las tareas. Para llegar a este nivel de automatización es necesario un estudio previo de los posibles fallos y situaciones de emergencia que pueden ocurrir, para elaborar procedimientos de mitigación y gestión. Se propone un esquema de control siguiendo la arquitectura de control supervisado y se aplica a diferentes procedimientos reales.
LRespecto al efecto de la radiación sobre los componentes electrónicos, es un aspecto clave para el mantenimiento en aceleradores y otras instalaciones científicas, ya que se debe garantizar el buen funcionamiento de los equipos introducidos en el entorno remoto. El acceso a este entorno para el rescate de los equipos puede resultar muy complicado y peligroso, por lo que es necesario conocer con anterioridad sus límites de exposición y medir la dosis que absorben. Se presenta un estudio detallado de las opciones disponibles y más convenientes según el nivel de radiación esperado en el entorno de trabajo. Para ello analiza las diferentes opciones comerciales de dispositivos diseñados para resistir radiación, la resistencia que se puede esperar en los elementos convencionales y diferentes estrategias para aumentar la tolerancia en ambos casos. Se presentan tanto estudios teóricos de resistencia a radiación de herramientas robóticas, como pruebas reales de exposición de controladores, motores y un robot de 3 GdL.
En los procedimientos de MR es imposible desarrollar una herramienta genérica que pueda ser utilizada en todas las tareas e instalaciones. Siempre se aconseja priorizar el uso de componentes comerciales, pero en muchos casos los requisitos de la planta y del procedimiento son tan exigentes que desembocan en el desarrollo de una herramienta específica para cada caso. Se realiza un profundo estudio de las metodologías de diseño existentes y propone una clasificación de las tareas más habituales, con el fin de destacar las características más comunes de cada grupo y encontrar generalidades a tener en cuenta en el diseño de futuras herramientas. Se presentan numerosos ejemplos de herramientas de atornillado y manipulación desarrolladas, incluyendo las pruebas de laboratorio llevadas a cabo para su validación.
En conclusión, se proponen métodos innovadores para la implementación de nuevas aplicaciones de MR en entornos con radiación, abarcando desde la arquitectura de control hasta la selección de componentes y diseño de herramientas. Gracias a la colaboración con diferentes proyectos científicos, estos métodos han podido aplicarse a problemáticas existentes aportando soluciones que han sido validadas.