# Un robot à bras articulés pour l'inspection CND des réservoirs de stockage : inspection visuelle à distance et contrôle par ultrasons

Mohamed Abdou Ibro a,1, Martijn Cuyx a,2, Paulo Debenest b,3

aVinçotte, Jan Olieslagerslaan 35, 1800 Vilvoorde, Belgique

bHibot, Watanabe Corp. Bldg. 4F 5-9-15 Kita Shinagawa, 141-0001 Tokyo, Japan

¹ mabdouibro@vincotte.be

² mcuyx@vincotte.be

³ debenest@hibot.co.jp

## Résumé

Afin de garantir la sûreté des sites industriels d'exploitation (pétrochimique, nucléaire,...), des inspections de leurs infrastructures sont réalisées régulièrement. Le contrôle non destructif (CND) de ces infrastructures pose problème car elles peuvent être situées dans des environnements dangereux ou difficiles d'accès. Afin d'améliorer l'accessibilité, la fiabilité, la sécurité et les coûts des inspections, des applications robotiques ont été développées.

Dans cet article, une nouvelle technique d'inspection à distance utilisant un robot à bras articulés est présentée pour le contrôle visuel et la mesure d'épaisseur par ultrasons de réservoirs de stockage. Le robot conçu pour les applications à longue portée dans des espaces confinés utilise un dispositif LIDAR (Light Detection And Ranging) et le simulateur de robotique CoppeliaSim pour créer un environnement 3D en temps réel afin de cartographier et de naviguer en toute sécurité dans son environnement. Le robot est équipé d'une caméra de haute résolution avec zoom optique x30 pour l'inspection visuelle et une sonde ultrasons pour la mesure d'épaisseur.

## 1. Introduction

Le contrôle non destructif (CND) est un ensemble de techniques d'analyse utilisées dans la science et l'industrie pour évaluer les propriétés des matériaux et/ou garantir l'intégrité des composants et structures sans les endommager [1]. Ces méthodes d'essai manuelles couramment utilisées, sont souvent laborieuses et chronophages, ce qui a motivé la mise

au point d'équipements de contrôle non destructif automatisés pour ces composants.

Certaines techniques de CND, telles que le contrôle par ultrasons (UT), le contrôle par courants de Foucault (ECT) et le contrôle par radiographie (RT), font l'objet d'automatisation par l'utilisation de robots industriels volants, sur roues, grimpants, rampants ou articulés [2] [3]. Ces dernières années, le développement de ces robots a suscité un intérêt croissant, motivé par le désir d'accroître l'efficacité des opérations dans les environnements dangereux ou les endroits difficiles d'accès, et de protéger la santé et la sécurité du personnel lors de l'exécution de tâches dangereuses ou à risques [4] [5]. En effet, l'un des principaux avantages des robots d'inspection à distance est qu'ils peuvent être utilisés pour inspecter des réservoirs de stockage dans des endroits difficiles d'accès tels que les espaces restreints ou les zones en hauteur. Ils permettent entre autres d'éviter l'utilisation d'échafaudages ainsi que les coûts qui y sont associés (coût de location, coût du montage/démontage, coût de l'inspection de l'échafaudage,...). Les robots à bras articulés peuvent se déplacer facilement en zones difficiles d'accès grâce à leur taille compacte et leur capacité à se plier et à se tordre. Ils peuvent également être utilisés pour inspecter les réservoirs dans des environnements potentiellement dangereux pour les travailleurs, tels que les réservoirs contenant des produits toxiques ou radioactifs. En plus de garantir la sécurité des travailleurs, l'utilisation de ces robots permet généralement d'effectuer des inspections plus rapidement et plus efficacement, ce qui permet de réduire le temps d'arrêt de l'usine et d'augmenter par

<figure><img src="image_1.png" /></figure>
conséquent la productivité. Pour les inspections dans l'industrie pétrochimique ou nucléaire un certain nombre de capteurs CND embarqués sont utilisés pour détecter les corrosions et les fissures. Certaines des techniques les plus couramment utilisées sont l'inspection visuelle, l'inspection par ultrasons, l'inspection magnétique et radiographique ainsi que l'inspection par courants de Foucault [6]. Dans ce document, nous nous intéressons particulièrement à l'inspection visuelle et par ultrasons. Afin de détecter des dégradations éventuelles de surface, l'inspection visuelle est l'un des moyens d'inspection les plus anciens et les plus populaires [7]. Au tout début, les ingénieurs expérimentés utilisaient leur œil nu pour vérifier l'état des équipements. Aujourd'hui, les caméras ont permis aux robots d'inspection d'avoir une vue d'ensemble de la structure. Grâce aux sondes ultrasons, l'épaisseur des parois des réservoirs de stockage peut être évaluée, permettant ainsi de surveiller la corrosion, l'érosion et les dégradations éventuelles. Afin d'inspecter des réservoirs de stockage en acier inoxydable et acier carbone situés dans des environnements encombrés et présentant un risque de contamination radioactive, Vinçotte a utilisé le robot à bras articulés développé par la société Hibot. Ce robot appelé « Float Arm », offre une plateforme stable pour les mesures d'épaisseur et une large gamme de possibilités d'inspection. Ce robot a été choisi pour cette étude car il n'est ni basé sur un système de roues magnétiques inadapté pour des matériaux en acier inoxydable, ni sur un système de vide, inadapté au risque de contamination radioactive.

## 2. Description du robot

### 2.1. Présentation générale

Le « Float Arm » est un nouveau robot manipulateur de type « serpent » de Hibot, conçu pour les applications de longue portée dans les espaces confinés [8]. Grâce à la commande de mouvement de type « serpent » et à un mécanisme d'auto-équilibrage unique, il est capable de naviguer dans des environnements complexes et d'acquérir des données détaillées à des fins d'inspection et de maintenance. Le « Float Arm », constitué de matériaux très performants en terme de rapport raideur/masse, est léger et très portable, ce qui en fait un outil idéal pour l'intégration avec d'autres systèmes déjà en service sur le terrain, ou simplement comme dispositif d'inspection autonome.

Le robot comprend jusqu'à 10 segments et articulations en série qui peuvent être facilement assemblés sur place par un opérateur. Ce robot est contrôlé à l'aide d'une manette et d'une interface graphique. Chacun de ses segments est un composant léger qui peut être utilisé en fonction de l'application et de la portée nécessaire. Ces types de robots sériels à fort élancement ont fait l'objet de nombreuses études dans la littérature [9] [10] [11] [12].

Le « Float Arm » pèse 30 kg et peut être démonté en ses différents segments pour être transporté et manipulé manuellement par un technicien, avant d'être assemblé sur le site d'application. Le robot peut atteindre une longueur maximale de 7 m mais la base de ce dernier peut être facilement connectée à une nacelle élévatrice ou à une nacelle télescopique afin d'atteindre des hauteurs beaucoup plus importantes. L'effecteur se situant à l'extrémité des différents segments peut être remplacé par d'autres types d'outils et peut également accueillir différents types de capteurs pour les applications de CND. Comme illustré en Figure 1, il se compose d'une sonde ultrasons pour la mesure d'épaisseur de paroi métallique, de plusieurs caméras pour la navigation, d'une caméra haute définition pour l'inspection visuelle. Un dispositif LiDAR qui utilise le principe de télédétection laser par télémétrie permet de créer des représentations en 3D de l'environnement. Un système d'éclairage installé à proximité de la caméra d'inspection permet d'améliorer la visibilité en milieu obscur.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1: Spécifications du robot et de l'effecteur terminal</figcaption></figure>
## 2.2. Navigation

Le « Float Arm » est composé de plusieurs segments articulés et légers avec une mécanique très performante qui leur permet de supporter un porte à faux de plusieurs mètres. Ceci permet ainsi d'explorer efficacement des environnements complexes et des composants de grandes dimensions. Grâce à la représentation en 3D de l'environnement, la navigation peut se faire en toute sécurité et à distance par un opérateur. La tâche de téléopération est assurée par une console de commande à distance. L'interface utilisateur permet de surveiller la position actuelle du robot dans le réservoir en temps réel. Cette capacité permet à l'opérateur de téléopérer le robot même dans des situations où la visibilité de la zone est faible ou inexistante. Cette caractéristique est un avantage par rapport aux autres systèmes de téléopération avec lesquels l'opérateur doit guider le robot en utilisant un contact visuel. Ce système est capable de téléopérer le robot au moyen d'informations de surveillance (position actuelle du robot sur la représentation 3D du réservoir).

Le « Float Arm » peut se déplacer facilement dans un environnement grâce à ses différents modes de navigation :

* Le mode direct permet de piloter dans toutes les directions, y compris en rotation, les différents bras du robot indépendamment. Ce mode est très utilisé pour éviter des obstacles dans les environnements difficiles d'accès.

* Le mode semi-automatique permet de piloter dans toutes les directions y compris en rotation l'ensemble des bras du robot en même temps. Dans ce mode, l'algorithme du robot choisit de lui-même les unités qui doivent être mobilisés et leurs mouvements afin d'atteindre de façon optimale, la direction choisie par l'opérateur. Cela signifie que lorsque l'opérateur fixe un point à atteindre par l'effecteur, le robot calcul et exécute les mouvements optimaux de toutes les autres unités pour atteindre ce point. Ce mode permet de gagner du temps lorsqu'il s'agit d'atteindre une localisation sans obstacles à franchir ou pour bien se positionner en vue d'une acquisition de données.

## 2.3. Acquisition de données

L'acquisition de données se fait via les capteurs ultrasons et caméra d'inspection installés sur l'effecteur (Figure 4:).

La caméra de très haute résolution avec zoom optique x30 aidée par un système d'éclairage permet de faciliter la navigation et l'inspection visuelle.

L'appareil 38DL PLUS d'Olympus connecté au robot est un mesureur d'épaisseur à ultrasons portable conçu pour une grande variété d'applications de mesure d'épaisseurs. Il permet de mesurer de manière non destructive l'épaisseur des matériaux corrodés, piqués, écaillés et granuleux à partir d'un seul côté de la pièce, ainsi que d'autres matériaux complexes. Il permet d'afficher simultanément l'épaisseur et le A-scan pour des valeurs d'épaisseurs comprises entre 0,08 mm et 635 mm. Cet appareil est connecté à l'interface de l'opérateur afin de visualiser les différentes informations qu'il affiche depuis le poste de commande.

La sonde ultrasons Olympus D798 installée à l'extrémité de l'effecteur, à émission-réception séparées, fonctionne selon le principe de l'effet piézoélectrique. Ses principales caractéristiques sont données dans le Tableau 1. Un réservoir de couplant installé sur l'effecteur et commandé à distance par l'opérateur via le poste de commande permet de faire l'appoint de couplant lors des mesures afin de garantir un bon contact sonde-surface de l'élément inspecté.

<table><caption>Tableau 1: Principales caractéristiques des sondes ultrasons</caption><tr><td>Fréquence</td><td>7,5 MHz</td></tr><tr><td>Diamètre</td><td>7,2 mm</td></tr><tr><td>Gamme de mesures d'épaisseur</td><td>0,71-100 mm</td></tr></table>

Olympus 38DL Plus

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

Olympus D798 probe

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

Full HD camera

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 2: Les différents appareils et capteurs pour l'inspection visuelle et la mesure d'épaisseur</figcaption></figure>
Le poste de commande de l'opérateur est composé d'un système informatique central appelé unité de contrôle, un ordinateur avec le logiciel d'opération (interface utilisateur) et une console de commande à distance pour le pilotage du robot. Les données des mesures par ultrasons et le retour d'informations visuelles sont enregistrés et stockés en vue d'une récupération ultérieure et d'un post-traitement à des fins d'analyse et d'établissement de rapports. La Figure 3 ci-dessous montre le schéma de fonctionnement de l'ensemble du système.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 3: Schéma de fonctionnement du système</figcaption></figure>

### 3. Méthode d'inspection

#### 3.1. Scope de l'inspection

Les Réservoirs de stockages inspectés dans le cadre de cette étude sont soit en acier inoxydable soit en acier carbone et situés dans un environnement radioactif. Les caractéristiques des réservoirs sont données dans le Tableau 2 ci-dessous.

<table><caption>Tableau 2: Caractéristiques des réservoirs de stockages inspectés</caption><tr><td>Volume</td><td>158 m³</td></tr><tr><td>Hauteur</td><td>7,2 m</td></tr><tr><td>Diamètre</td><td>6 m</td></tr><tr><td>Epaisseur</td><td>7-8 mm</td></tr><tr><td>Contenant</td><td>Liquide</td></tr><tr><td>Matériaux</td><td>Acier inoxydable/Acier carbone</td></tr></table>

L'inspection visuelle détaillée a porté sur tous les éléments visibles et accessibles de la structure de l'enveloppe du réservoir, des accès et des accessoires du réservoir. Conformément aux normes applicables à

l'inspection des réservoirs de stockage [13] [14] [15], les points importants à relever sont essentiellement les dégradations des supports et fondation, des peintures et revêtements, les fuites, la corrosion, les déformations et déplacements.

Cette inspection visuelle est complétée par des mesures par ultrasons de l'épaisseur de l'enveloppe. Conformément aux recommandations dans [16] [17], 4 lignes de scan sont nécessaires pour un diamètre de réservoir inférieur à 20 m. Pour chacune des lignes de scan, 3 mesures ponctuelles d'épaisseur sont effectuées dans chaque anneau comme représenté dans la Figure 4: ci-dessous.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 4: Mesures de l'épaisseur sur l'enveloppe des réservoirs</figcaption></figure>

#### 3.2. Etapes de l'inspection

Après avoir préalablement assemblé le robot, l'opérateur procède à la calibration pour la mesure par ultrasons au moyen d'un bloc d'étalonnage en gradins représenté en Figure 5. La calibration est le processus qui consiste à ajuster l'instrument pour effectuer des mesures précises sur un matériau particulier, à l'aide d'un capteur et à une température donnée. L'étalonnage de l'instrument d'épaisseur connue est toujours nécessaire avant d'inspecter un matériau
spécifique et à la fin de l'activité de mesure quotidienne.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 5: Calibration à l'aide d'un bloc d'étalonnage en gradins</figcaption></figure>

Après l'étalonnage, l'inspection se déroule en 3 grandes étapes comme représenté en Figure 6 :

1. **Capture des nuages de points** : C'est la première étape de l'inspection qui consiste à créer une représentation en 3D de l'élément à inspecter et de son environnement. Ceci permet à l'opérateur de piloter à distance le robot en évitant les obstacles afin de le positionner correctement pour débuter l'inspection.

2. **Inspection visuelle** : L'inspection commence par les zones inférieures et remonte progressivement, ce qui garantit l'opérabilité du système. L'opérateur procède ainsi à un suivi visuel des éventuels défauts via la caméra, en utilisant le zoom et le focus adaptés. En cas de défaut, l'opérateur peut sauvegarder une ou plusieurs captures du défaut ainsi que ses coordonnées visibles sur la représentation 3D de l'interface utilisateur.

3. **Mesure d'épaisseur par ultrasons** : Les données LiDAR sont utilisées pour guider le robot en toute sécurité et annoter les coordonnées des mesures d'épaisseur dans l'espace 3D pour un rapport intuitif.

Les données d'inspection visuelle et de mesures par ultrasons sont stockées dans une base de données locale afin d'être par la suite contrôlées et utilisées dans le rapport d'inspection.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 6 : Différentes étapes de l'inspection sur un réservoir de stockage</figcaption></figure>

## 4. Résultats

L'utilisation du robot à bras articulés a permis la réalisation de l'inspection visuelle complète de l'enveloppe des réservoirs de stockage faisant l'objet de l'étude. Le robot a pu atteindre l'ensemble des lignes de scan prévues sur la paroi des réservoirs afin d'y permettre la réalisation des mesures d'épaisseur. On peut voir en Figure 7 comment le robot parvient à se trouver un chemin d'accès à l'un des réservoirs malgré l'encombrement et de nombreux obstacles autour de ce dernier.
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 7: Robot à bras articulés dans un environnement difficile d'accès</figcaption></figure>

Le pilotage à distance en toute sécurité dans ce type d'environnement difficile a été assuré grâce à l'interface utilisateur présentée en Figure 8 dans laquelle l'opérateur suit en temps réel les mouvements du robot dans l'environnement 3D. La Figure 9 montre l'inspection sur un autre réservoir situé dans un environnement très peu éclairé. L'éclairage installé sur l'effecteur a ainsi permis d'améliorer la visibilité pour la réalisation de l'inspection visuelle. La fluidité des mouvements du robot ainsi que l'efficacité du dispositif d'apport du couplant à distance ont permis d'assurer un bon contact sonde-surface afin d'obtenir des signaux correctes et des valeurs d'épaisseurs conformes aux valeurs de références attendues.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 8: Interface utilisateur montrant l'environnement 3D, les images des caméras et les données des sondes ultrasons</figcaption></figure>

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 9: Interface utilisateur et robot effectuant une inspection en hauteur en environnement sombre</figcaption></figure>

## 5. Conclusions et perspectives

L'application du robot à bras articulés « Float Arm » dans ce scénario a montré des améliorations prometteuses dans la manière dont les inspections des équipements ont été effectuées.

Tout d'abord, il a permis à nos inspecteurs d'examiner des endroits dangereux ou difficiles d'accès sans se mettre en danger. Il n'était pas nécessaire de travailler en hauteur, de monter sur des échafaudages ou de travailler dans des zones très contraignantes. L'équipe pouvait prendre de la distance et être protégée par rapport aux zones à fort rayonnement ionisant, ce qui réduisait considérablement la dose de rayonnement absorbée.

Deuxièmement, le client a évité les coûts liés à l'obtention d'un permis, à la construction, à la location, à l'exploitation et au démontage d'un échafaudage complexe. Outre la réduction des coûts de préparation du site susmentionnés, le robot a montré qu'il pouvait réduire considérablement le temps nécessaire pour effectuer l'inspection elle-même. Sa construction et sa configuration particulières offrent une plate-forme stable pour transporter et appliquer simultanément une large gamme de capteurs. Son logiciel d'automatisation des mouvements permet à l'opérateur d'atteindre rapidement une précision et une exactitude importante, tout en fournissant à tout moment une vue d'ensemble de la situation grâce à la présentation en 3D de l'environnement et du robot.

Enfin, ce bras robotisé peut effectuer des inspections avec un haut niveau de constance, ce qui garantit que les inspections soient effectuées selon les mêmes normes à chaque fois. Cela réduit le risque d'erreur humaine et garantit que les inspections soient effectuées de manière cohérente, ce qui est important dans les industries où le contrôle de la qualité est crucial.
En perspectives, des capteurs supplémentaires pourraient être rajoutés à l'effecteur afin de réaliser des inspections par courants de Foucault (ECT) et par radiographie (RT). Des sondes ultrasons multiéléments pourraient également être utilisées. Ceci permettrait ainsi d'élargir les possibilités de ce robot à bras articulés en terme de campagne d'inspection de diverses structures. Des améliorations actuellement en cours d'intégration en terme d'automatisation de la navigation, comme l'auto-navigation vers des coordonnées choisies ou encore la détection automatisée d'obstacles à l'aide de nuages de points, vont mener vers une meilleure performance du robot.

Références

[1] L. Cartz, "Nondestructive Testing, ASM International, United States," 1995.

[2] R. Bogue, "The role of robotics in non-destructive testing," *Ind. Robot Int*, pp. 37, 421-426, 2010.

[3] S. Voisembert, Conception et modélisation d'un bras d'inspection robotisé ultraléger, Paris: HAL, 2014.

[4] F. T. R. S. W. Fischer, "Magnetic Wall Climbing Robot for Thin Surface with Specific Obstacle," in *Int. Conference of Field and Service Robot*, Chamonix, France, 2007.

[5] P. B. M. S. “. L. Briones, "A wall-climbing robot for inspection in nuclear power plants," *Robotic Computer-Integrated Manufacturing*, vol. 11, no. 4, pp. 287-292, 1994.

[6] L. Y. e. al., "Inspection Robots in Oil and Gas Industry: a Review of Current Solutions and Future Trends," in *International Conference on Automation & Computing, Lancaster University*, Lancaster UK, 2019.

[7] S. H. a. I. Khalid, "Design and Development of an Inspection Robot for Oil and Gas Applications," *International Journal of Engineering & Technology*, vol. 7, p. 5, 2018.

[8] "Hibot," [Online]. Available: https://www.hibot.co.jp/products/floatarm/.

[9] J. P. F. e. Y. P. D. Keller, "An ITER Relevant Robot for Remote Handling: on the Road to Operation on Tore Supra," *Advances in Service Robots, Ed InTech.*, 2008.

[10] Y. P. L. G. J. P. F. V. B. R. L. B. S. D. Keller, "Demonstration of an ITER Relevant Remote Handling Equipment for Tokamak Close Inspection," in *IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems*, Nice, France, 2008.

[11] P. B. V. B. J.-C. H. C. H. M. L. Gargiuloa, "Operation of an ITER Relevant Inspection Robot on Tore Supra tokamak," *Fusion Engineering and Design*, vol. 84, pp. 220-223, 2009.

[12] V. C. R. C. G. F. A. G. A. R. Buckingham, "Snake-Arm Robots: a New Approach to Aircraft Assembly," in *Society of Automotive Engineers AeroTech Congress*, Los Angeles, CA, USA, 2007.

[13] API Recommended Practice 575, Inspection Practices for Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks.

[14] API 653, Tank Inspection, Repair, Alteration and Reconstruction.

[15] EEMUA 159, Above ground flat bottomed storage tanks. Guide to inspection, maintenance, and repair.

[16] ASME BPVC, Section V, Article 5, Article 23 and Section SE-797.

[17] "Guide d'inspection et de maintenance des réservoirs aériens cylindriques verticaux," EDF, 2011.

[18] A. G. V. F. R. Fernandez, "A proposed wall climbing robot for oil tank inspection," in *Int. Conference in Climbing and Walking Robots*, Coimbra, Portugal, 2008.