Progettazione di un robot subacqueo per operazioni di manutenzione ad elevate profondità

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di lavoro. Elemento comune a queste operazioni, che possono essere di svariato 
tipo, è l’estrema variabilità dell’ambiente di lavoro (torbidità dell’acqua, 
direzione ed intensità delle correnti, geometria degli oggetti da manipolare). 
Il solo sviluppo delle geometrie e delle configurazioni dei manipolatori non è 
sufficiente a garantire il successo dei sistemi teleguidati che richiedono infatti 
appropriati sistemi di controllo in grado di garantire la realizzazione delle 
funzioni con la debita precisione. Ed è proprio nel  campo dei controlli a distanza 
che, negli ultimi anni, si sono avuti i maggiori sviluppi dovuti in larga misura 
all’introduzione di sistemi di ripresa stereoscopica ed agli ambienti realizzati in 
realtà virtuale, sistemi che permettono all’operatore di avere un’immediata 
sensazione delle manovre che sta compiendo [FRL95]. 
Un impulso notevole nello sviluppo di queste tecniche è stato dato proprio 
dall’industria off-shore dedita all’esplorazione ed allo sfruttamento delle riserve di 
idrocarburi che giacciono sotto il fondale marino. I motivi che hanno spinto a 
questo sviluppo sono essenzialmente quattro: 
• l’elevato costo dell’intervento umano (ove sia comunque possibile); già nel 
1986 una squadra di 8 persone operanti a turno 24 ore su 24 costava tra le 
100 e le 150 MLit al giorno senza considerare la nave di appoggio [Bri86]; 
• l’elevato rischio umano legato anche alla sola immersione, senza 
considerare quelli derivanti dall’operazione da compiere; 
• la scarsa affidabilità delle operazioni effettuate manualmente; l’ambiente 
sostanzialmente ostile risulta infatti particolarmente incisivo sulla qualità 
finale del risultato; 
• la mancanza di alternative per attività che si svolgono a profondità 
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superiori a 300 m. 
1.1.2. Tipiche applicazioni dei sistemi ROV-manipolatore 
L’utilizzo di manipolatori teleoperati, generalmente installati a bordo di veicoli 
subacquei a loro volta teleguidati e con funzioni di autonomia operativa, ha 
trovato quindi un notevole numero di applicazioni  che vanno dall’assistenza 
durante le fasi di costruzione ed installazione di opere marittime alla pulizia ed 
ispezione visiva delle strutture di sostegno, dalla posa di cavi sottomarini al 
recupero di attrezzature. 
Vediamo ora quali sono le tipiche procedure che possono essere effettuate 
tramite un sistema ROV-manipolatore (ROV = Remotely Operated Veichle) 
teleguidato da un sistema di controllo posto in superficie (indifferentemente sulla 
piattaforma o su una nave appoggio). 
• Operazioni di ispezione ed osservazione 
- Riprese fotografiche e televisive con apparecchiature montate sul 
manipolatore e quindi capaci di arrivare in antri angusti 
- Raccolta di campioni  
- Pulizia e controllo non distruttivo su strutture; in particolare molto 
significativa è la molatura delle saldature che uniscono le aste delle 
travature che reggono le piattaforme. Questa operazione viene 
effettuata per mezzo di un getto di acqua ad elevata pressione (700-
1000 bar) o per l’azione abrasiva di spazzole rotanti. Il controllo non 
distruttivo per la rilevazione delle cricche può essere effettuato con 
sistemi sia magnetici sia ad ultrasuoni 
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- Operazioni di misura di varie grandezze (potenziale catodico, 
propagazione delle cricche...) 
• Operazioni di attuazione 
- Apertura e chiusura di valvole ad esempio sulle croci di produzione 
(Xmas-tree) effettuate mediante l’azionamento di leve o volantini 
- Innesco di cariche esplosive 
- Sbloccaggio di attuatori mediante rimozione di apposite spine di 
bloccaggio 
• Operazioni di connessione/assemblaggio 
- Collegamento di linee elettriche o idrauliche tramite l’unione di 
appositi connettori  
- Aggancio di cavi di sollevamento 
• Lavorazioni meccaniche  
- Molatura di cricche strutturali 
- Saldatura 
- Taglio mediante cesoie, seghe circolari o filo diamantato 
1.1.3.  Problemi legati all’ambiente di lavoro  
Una differenza fondamentale caratterizza i manipolatori subacquei per acque 
profonde rispetto a molti di quelli che operano in superficie o entro 300 metri di 
profondità: in caso di insuccesso o malfunzionamento non è infatti possibile 
intervenire direttamente. Da questo punto di vista i problemi sono associabili a 
quelli incontrati nella manipolazione di elementi di combustibile nucleare con la 
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difficoltà ulteriore della estrema variabilità ed imprevedibilità delle condizioni di 
lavoro. 
La condizione ottimale è quella, del tutto inverosimile, che si ha quando il 
sistema può funzionare a memoria ovvero quando le caratteristiche geometriche 
dello spazio di lavoro sono note a priori e le operazioni possono essere effettuate 
sulla base dei dati già immagazzinati. 
In passato lo sviluppo in questo campo è stato ostacolato dalla difficoltà di avere 
attuatori, sensori e meccanismi ad elevato grado di affidabilità, fatto che ha 
costretto i progettisti a realizzare robot poco complessi e quindi scarsi da un 
punto di vista delle operazioni realizzabili. 
Un ulteriore elemento di disturbo per la manipolazione in ambiente sottomarino 
è rappresentato proprio dall’acqua che, anche se in quiete, esercita sollecitazioni 
idrodinamiche sugli oggetti in moto (e quindi sui manipolatori) che hanno 
intensità proporzionale all’accelerazione ed al quadrato della velocità e quindi 
tutt’altro che trascurabili. Questo fenomeno, sommato ai carichi che onde e 
correnti esercitano sulla struttura, rendono più importanti le non linearità del 
sistema e più gravosi i compiti del controllo. 
Sulla progettazione di questi manipolatori interviene anche l’aggressività 
dell’ambiente in cui operano; esso infatti limita le possibilità di scelta dei 
materiali per le strutture, del tipo di sensori, dei componenti di attuazione. 
In generale la natura dei lavori che devono essere effettuati sul fondale marino è 
tutt’altro che ripetitiva. Questo ha reso sinora necessaria la presenza dell’uomo, 
come parte integrante del sistema di controllo, in grado di assumere decisioni e 
guidare l’esecuzione del compito in base ai dati rilevati dai sensori, per una 
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chiusura intelligente ed adattativa degli anelli di retroazione [PeH97].  
Per l’operatore sorgono però notevoli problemi durante la fase di guida del 
robot: esso, infatti, si muove in un ambiente completamente diverso, sia come 
scala sia come caratteristiche, da quello dove si trova l’operatore che quindi non 
riesce ad avere quella percezione che è necessaria per effettuare operazioni 
complesse con sufficiente precisione. Sono allo studio ed esistono alcune 
applicazioni di sistemi robotici sensorizzati in posizione e forza che riescono a 
riflettere queste variabili sul master in modo da rendere l’operatore partecipe 
non solo degli errori di posizione ma anche degli sforzi che si manifestano 
durante le operazioni  [CDL95]. 
Ultimamente i progressi che ci sono stati nel campo della simulazione in realtà 
virtuale [TrC93] hanno fornito un notevole contributo allo sviluppo di nuovi 
sistemi di controllo che sempre più fanno sentire l’uomo immerso nell’ambiente 
di lavoro del robot con immaginabili  incrementi delle prestazioni. 
1.2. Scenario di riferimento 
La presente tesi si pone come obiettivo la progettazione di un robot manipolatore 
teleoperato dedicato alla sostituzione di elettrovalvole operanti in ambiente 
subacqueo [Mai97]. 
Tali valvole, progettate dalla società francese ECA, sono chiamate TOV (Tele 
Operated Valves) e fanno parte di un moderno ed innovativo sistema di controllo 
e gestione delle pipeline dedite alla distribuzione di petrolio e gas naturali estratti 
dal sottosuolo marino. Per una descrizione delle caratteristiche delle valvole, si 
rimanda al paragrafo 1.2.3. 
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Scopo del sistema basato sulle TOV è quello di controllare le valvole che 
equipaggiano i Xmas-tree (crocevia di controllo dei flussi nei condotti di 
distribuzione degli idrocarburi estratti dal fondo marino) da un centro di 
controllo remoto separando, di fatto, le funzioni di acquisizione da quelle di 
elaborazione. 
 
Fig. 1.1 - Xmas-tree 
Il sistema TOV include generalmente una camera di controllo posta sulla 
piattaforma, un pannello contenente le valvole applicato al Xmas-tree ed una serie 
di cavi che uniscono le due unità: questi hanno lo scopo di fornire energia 
elettrica alla stazione posta in profondità, di trasferire alla piattaforma le 
informazioni acquisite dai sensori e viceversa di inviare al TOV i comandi 
provenienti dalla superficie. 
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E’ intuitivo osservare che i principali vincoli progettuali, in termini di affidabilità 
e sicurezza, sono stati attribuiti alla parte sommersa del sistema; proprio la 
affidabilità e la sicurezza sono stati infatti i criteri che gli sviluppatori del 
progetto TOV hanno tenuto in maggiore considerazione nella progettazione e 
nella costruzione dei componenti di questo sistema. 
Dopo la prima fase di ideazione e prototipazione, che ha permesso di valutare 
favorevolmente le caratteristiche del nuovo sistema dal punto di vista 
affidabilistico e funzionale, si è iniziato a pensare alle necessarie modifiche che 
avrebbero permesso la definitiva commercializzazione delle TOV. 
Fra i vari problemi emersi quello che maggiormente ha ritardato l’ingresso sul 
mercato del prodotto in questione è stata la difficoltà di 
installazione/sostituzione delle valvole poste sui Xmas-tree più profondi. 
Essendo le valvole ideate per operare a profondità fino a 2000 metri si è reso 
necessario sviluppare un robot dedicato alle operazioni di manutenzione che 
escludesse l’intervento dell’uomo ritenuto troppo oneroso dal punto di vista 
economico e comunque pericoloso. 
La soluzione scelta dai tecnici dell’ECA è stata quella di dotare un ROV 
(Remotely Operated Veichle) di un terminale appositamente attrezzato 
movimentato da un braccio, il tutto teleoperato dalla superficie. 
E’ importante a questo punto sottolineare che per specifica scelta commerciale la 
società ECA non ha voluto legarsi ad un particolare costruttore di ROV ed ha 
quindi proposto di studiare un’interfaccia robot-veicolo adatta a diversi tipi di 
veicoli ovvero i più diffusi fra quelli attualmente in dotazione ai possibili 
acquirenti del sistema TOV.  
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1.2.1. Descrizione dei sistemi di valvole attualmente esistenti 
Prima di descrivere in modo più approfondito il sistema TOV facciamo una 
rapida panoramica sui sistemi di controllo più usati in campo sottomarino: 
• Sist. idraulico diretto: ogni valvola viene controllata attraverso un condotto 
idraulico dalla centralina di produzione posta sulla piattaforma. Si tratta di 
un sistema molto lento, può infatti impiegare anche alcuni minuti per 
chiudere una valvola, e con notevoli limitazioni di profondità massima 
raggiungibile. 
• Sist. idraulico pilotato: è stato sviluppato partendo dal sistema diretto con 
l’intento di ridurne i tempi di risposta; a questo scopo un condotto viene 
posto in pressione permanentemente ed il controllo della valvola viene 
affidato ad una valvola di comando posta nell’unità sommersa (POD); 
ognuna delle due valvole viene controllata attraverso un condotto azionato 
dalla superficie. Questo sistema riduce effettivamente i tempi di risposta 
ma non diminuisce la lunghezza dei condotti.  
• Sist. idraulico sequenziale: utilizza una sola linea di alimentazione e le 
valvole idrauliche poste nel POD vengono azionate in funzione della 
pressione nella linea. 
 
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Fig. 1.2 - POD di controllo 
• Sist. elettroidraulico: è un sistema analogo al precedente ad eccezione del 
tipo di valvole che sono attuate elettricamente. Il cordone ombelicale (così 
viene definito il fascio di cavi e condotti che unisce la piattaforma con 
l’unità sottomarina) è quindi formato da un solo condotto idraulico e da 
una coppia di cavi elettrici per ogni valvola e per ogni sensore. In questa 
configurazione il sistema è in grado di trasmettere informazioni alla 
superficie. 
• Sist. elettroidraulico multiplex: è a tutt’oggi il più diffuso. Grazie ad un 
sistema elettronico multiplex permette un completo scambio di 
informazioni, sia per il controllo sia per l’acquisizione dati, fra la superficie 
e l’unità sottomarina tramite due sole coppie di cavi elettrici. Il cordone 
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risulta quindi composto dalle due coppie di cavi e da un condotto 
idraulico; nei sistemi più avanzati  potenza e segnale vengono sottoposti al 
multiplexer e possono quindi essere trasmessi attraverso una sola coppia di 
conduttori. Il nucleo di questo sistema è costituito dal POD che contiene i 
sottosistemi idraulici ed elettrici; data la sua importanza il POD viene 
installato su apposite guide che ne permettono un semplice recupero per 
effettuare in superficie le operazioni di manutenzione necessarie. 
Con l’aumentare della complessità delle reti, le soluzioni sopra descritte 
iniziarono presto a cadere in difetto sia da un punto di vista economico (elevati 
costi di gestione, elevato costo dei componenti, etc...) sia da un punto di vista 
sistemistico, essendo la difficoltà di installazione proporzionale al numero di 
valvole che ogni stazione sottomarina deve contenere. 
1.2.2. Il sistema TOV 
E’ un sistema di controllo innovativo basato sulle valvole TOV e si pone come 
valida alternativa agli esistenti  moduli elettroidraulici multiplexer essendo meno 
costoso, più affidabile e più adatto ad un uso ad elevate profondità. 
La caratteristica innovativa di questo tipo di sistema di controllo consta nel fatto 
che il cordone ombelicale viene considerato come il supporto di una rete 
elettroidraulica che unisce le valvole da controllare, ognuna delle quali 
equipaggiata da un modulo TOV come rappresentato nello schema di figura 1.3. 
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Fig. 1.3 - Schema di collegamento delle TOV a cascata 
Lo schema evidenzia come le funzioni di controllo, che in una soluzione del tipo 
POD sono centralizzate in un unico volume, in questo caso sono distribuite sul 
Xmas-tree consentendo ad ogni modulo di controllare una sola  valvola in modo 
autonomo. 
La svariata gamma di soluzioni operative realizzate nel campo della 
distribuzione sottomarina degli idrocarburi giustifica quindi il progetto di un 
sistema flessibile di controllo che permette di mantenere comunque un solo 
cordone ombelicale fra superficie e fondo qualunque sia il numero di Xmas-tree e 
di valvole da controllare. 
In particolar modo il sistema TOV sviluppato dalla ECA permette di controllare 
fino a 8 stazioni ognuna delle quali può gestire fino a 16 pozzi, ognuno dei quali 
può avere fino a 32 valvole; schematicamente questa configurazione limite è stata 
rappresentata nella figura  1.4. 
Per semplificare l’interfaccia con il Xmas-tree e per massimizzare il numero di 
connessioni possibili le TOV sono organizzate su un pannello che viene fissato 
alla struttura del Xmas-tree. La distribuzione dell’energia elettrica ed idraulica dal 
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cordone ombelicale alle TOV (la rete) avviene all’interno del pannello ed è 
realizzata in modo da permettere la connessione/sconnessione delle TOV senza 
comprometterne il funzionamento. I collegamenti fra il pannello e le valvole ed i 
sensori sottomarini sono fissi e vengono fatti in superficie direttamente dal 
costruttore del Xmas-tree. Operando in questo modo si ottiene l’azzeramento 
delle operazioni di connessione di cavi da effettuare sott’acqua aumentando 
notevolmente l’affidabilità  del sistema. 
 
Fig. 1.4 - Configurazione del sistema di controllo TOV 
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1.2.3. Descrizione del modulo TOV 
Entriamo ora nel dettaglio del modulo TOV descrivendone le funzioni principali. 
La figura 1.5 rappresenta un disegno d’assieme di un modulo mentre in figura 
1.6 sono riportate due fotografie della TOV. 
 
Fig. 1.5 - Disegni di progetto delle TOV 
Le funzioni che deve realizzare ogni TOV sono le seguenti: 
• controllare una valvola idraulica; 
• acquisire informazioni da due sensori esterni, un sensore di pressione 
interno ed eventualmente due interruttori di posizione che individuano la 
posizione della valvola; 
• gestire l’interfaccia con la rete; 
• eseguire funzioni di sicurezza integrate e l’autodiagnosi delle prestazioni.