UM ROBÔ DE SERVIÇO APLICADO À LIMPEZA DE ISOLADORES ELÉTRICOS DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

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1 UM ROBÔ DE SERVIÇO APLICADO À LIMPEZA DE ISOLADORES ELÉTRICOS DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA EMERSON P. RAPOSO, MARCELO R. STEMMER, VICTOR J. DE NEGRI, ROBERTO KINCELER, DANIEL MARTINS, HENRIQUE SIMAS, EDSON R. DE PIERI, EUGÊNIO DE B. CASTELAN, VICTOR BARASUOL Departamento de Automação e Sistemas (DAS) Departamento de Engenharia Mecânica (EMC) Centro Tecnológico (CTC) Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) Caixa Postal:476, CEP: Florianópolis, SC, BRASIL s: er@das.ufsc.br, marcelo@das.ufsc.br, victor@emc.ufsc.br, kinceler@emc.ufsc.br, daniel@emc.ufsc.br, simas@das.ufsc.br, edson@das.ufsc.br, eugenio@das.ufsc.br, victor@das.ufsc.br Abstract The purpose of this paper is to show the design of a service robot to the cleaning of insulators used in electrical power distribution systems. The principles of simultaneous engineering provided in time reduced the design of the manipulator and its controller based respectively on the concepts of virtual machine and co-design. The results were a service robot, electric and hydraulic servo operated with open architecture controller based on PC and wireless user interface. Keywords Open Architecture Controller (OAC), Service Robot, Energy Area. Resumo O propósito deste artigo é mostrar a concepção de um robô de serviço aplicado à limpeza de isoladores elétricos de sistemas de distribuição de energia. Os princípios da engenharia simultânea proporcionaram em tempo reduzido a concepção do manipulador bem como de seu controlador fundamentado respectivamente nos conceitos de máquina virtual e co-design. Os resultados alcançados foram um robô de serviço, servo elétrico e hidráulico, com controlador de arquitetura aberta baseado em PC e interface com usuário Wireless. Palavras-chave Controlador de Arquitetura Aberta, Robôs de Serviço, Área de Energia. 1 Introdução A maioria dos robôs industriais é utilizada na indústria automobilística. Diferentemente de um robô industrial, cujo propósito tem âmbito geral, um robô de serviço tem uma tarefa específica, como exemplificada em: Adôrno, Aguiar e Borges (2005); Paim, Jouvencel, e Borges (2005). No contexto de robôs de serviço, os Departamentos de Automação e Sistemas e de Engenharia Mecânica da UFSC estão desenvolvendo desde 2008 um robô destinado à limpeza de isoladores elétricos de sistemas de distribuição de energia. Esta ação ocorre no âmbito de projeto ANEEL proposto pela Companhia Energética do Maranhão (CEMAR). Em diversas regiões da costa brasileira os isoladores sofrem deposição de sal proveniente do mar, perdendo sua capacidade isolante. Na grande maioria dos casos a limpeza destes isoladores é realizada manualmente, sendo empregado um guindaste operado no espaço de junta e dentro de seu cesto, outro operador direciona um jato d água em direção ao isolador. Outra solução aplicada no Brasil é a instalação de um cabeçote no último elo do guindaste o qual possui um jato d água direcional por meio de um motor elétrico comandado por controle remoto. Em ambos os casos a limpeza é realizada apenas parcialmente visto que o manipulador não tem o alcance necessário para atingir o outro lado do isolador e cumprir a tarefa adequadamente com qualidade e segurança. Este artigo brevemente explana a demanda por robôs de serviço à limpeza de isoladores elétricos de sistemas de distribuição de energia. Na seção 2 serão apresentados os requisitos de projeto que motivaram o projeto do manipulador e controlador do robô utilizando engenharia simultânea (Winner, et al., 1988). Em seguida, na seção 3 é descrito o modelo computacional do sistema incluindo manipulador e controlador. O controlador de arquitetura aberta é explanado, apresentado a sua concepção do ponto de vista software e hardware. A seção 4 relata a avaliação experimental que compreendeu este trabalho a partir de sua máquina virtual. Por fim, seção 5, as conclusões obtidas em função do trabalho. 2 Requisitos de Projeto A seguir serão apresentados os requisitos para o projeto do robô. 2.1 Acesso aos equipamentos a serem lavados Uma das principais especificações que deve ser atingida com a construção deste protótipo é a melhoria na qualidade de lavação. Atualmente, devido à limitação de acesso dos isoladores, a limpeza é realizada apenas em um dos lados dos isoladores. Desta forma, para que a freqüência de manutenção seja menor, é necessário que a limpeza do isolador seja realizada em torno deste equipamento.

2 2.2 Seguranças dos operadores do sistema Para melhorar a segurança da operação de limpeza e segurança dos operadores, o sistema deverá ter um dispositivo sonoro que será acionado sempre que qualquer parte do guindaste chegar a menos de um metro de distância de qualquer uma das linhas energizadas. 2.3 Tempo de limpeza por poste Deseja-se com o novo sistema, que haja redução do tempo de limpeza por poste, garantindo-se assim, menores custos de operação, aumentando a produtividade do serviço. 2.4 Cabeçote de limpeza A última parte do sistema de lavação a ser desenvolvido comporta o cabeçote direcionador de água. Composto de dois motores de 12 V responsáveis por efetuar o direcionamento do jato de água e devendo ser resistente a ação do tempo. 2.5 Visualização dos isoladores Atualmente, o operador não tem um controle visual eficiente dos dispositivos a serem limpos na hora da lavação. O operador fica de 8 a 9 metros de distância dos dispositivos a serem limpos e o direcionamento e controle do jato de limpeza nem sempre é fácil. Objetiva-se a construção de um novo modelo de cabeçote incorporando um sistema de visão acoplado no cabeçote direcionador de água, de forma que o operador consiga visualizar através de uma janela no comando manual onde o jato está sendo direcionado. Desta forma, o operador primeiramente posiciona globalmente o manipulador/robô perto das estruturas a serem limpas. Depois, através do monitor situado no joystick ele consegue ver o que será limpo. 2.6 Robustez A tarefa de limpeza das estruturas de um poste é realizada sistematicamente durante cinco meses por ano. Durante este período o caminhão opera todos os dias de maneira ininterrupta. Espera-se desta forma que o sistema a ser desenvolvido seja suficientemente robusto no sentido de que pouca manutenção seja necessária durante os cinco meses de limpeza diária das estruturas. 2.7 Sistema alternativo de pistola Em ocasiões especiais, os postes que seguram as estruturas estão localizados em regiões de difícil acesso pelo caminhão devido ou à inexistência de ruas próximas aos referidos postes ou de solos não firmes. Desta forma uma possível alternativa de limpeza via uma pistola manual deve ser levada em consideração no projeto. 2.8 Sistema de comando dos operadores O modelo de lavação das estruturas atualmente utilizado é baseado na movimentação junta-a-junta do guindaste, ou seja, a cada movimento do joystick, movimenta-se uma junta do guindaste de cada vez de certo ângulo. Este tipo de movimentação é adequado quando não existem impedimentos físicos que atrapalhem o movimento. No entanto, quando houver alguma restrição física de forma que a movimentação deve ser efetuada em mais de uma direção este tipo de manobra requer muita atenção do operador. Para operações em espaço confinado, o tipo de comando mais adequado é o que é orientado por direções cartesianas, ou seja, nas direções x, y e z. Neste tipo de comando, o operador envia um sinal, por exemplo, para cima (a direção y). Neste caso, a ponta do guindaste irá movimentar somente na direção y. Tal recurso também tornará mais ágil o procedimento de limpeza, e reduzirá o risco de colisões com a linha de distribuição energizada. Além disso, o movimento controlado de maneira integrada também irá permitir rotinas automáticas de trajetórias. 2.9 Aumentar a pressão do jato de água. Atualmente a pressão de trabalho do jato de água é de aproximadamente de 65 psi. Foi sugerida que a pressão de trabalho do jato de água fosse elevada para 80 psi Plano de contingência. No caso de ocorrência de uma emergência, como por exemplo, no caso do guindaste ter tocado a rede e por alguma razão o comando do guindaste via joystick não funcione mais, um sistema redundante manual de operação do guindaste deve ser previsto. Neste caso, depois da linha ser desenergizada, um comando manual deve estar disponível de forma que o operador possa comandar o guindaste e retirá-lo da posição em que se encontra para outra posição segura Uso alternativo do caminhão O caminhão fica cinco meses efetuando a limpeza dos isoladores na estação seca que vai de agosto a dezembro e permanece sete meses parado na estação chuvosa que vai de janeiro a julho. Neste caso cogitou-se a hipótese de que o sistema pudesse contemplar a substituição do cabeçote limpador por um ou dois cestos para uma ou duas pessoas para que o caminhão pudesse realizar serviços de manutenção de postes normais durante o período chuvoso, onde não são efetuadas as limpezas nos isoladores Medição da produtividade. Sugeriu-se que seja implementado um sistema em que variáveis de interesse como tempos de limpezas, gasto de combustível, gastos de água, posicionamento via GPS do caminhão, quantidade de estruturas limpas e outras variáveis de interesse, sejam rastreadas automaticamente.

3 3. Concepção do Sistema Na figura 1 é mostrado o diagrama canal/agência do sistema CEMAR/UFSC. Foram estudadas as possibilidades de utilização de juntas prismáticas ou rotativas e, para tanto, um modelo simplificado bidimensional foi utilizado para facilitar a análise. Na figura 2, a seguir, são apresentadas as concepções estudadas. Figura 2: Concepções estudadas Figura 1: Diagrama Canal/Agência do Sistema CEMAR/UFSC. A partir do Diagrama Canal/Agência (De Negri, 1998) (Belan, 2007) foram modelados o guindaste robotizado, a WHMI (Wireless Human- Machine Interface) e o sistema de controle do robô ou Controlador. As API s (Application Programming Interfaces) são interfaces de programação de aplicativos. Elas são as interfaces entre um programa de computador e um conjunto de funções que fazem parte deste programa. A estrutura organizacional de um sistema é sua arquitetura. O resultado da modelagem dos componentes são API`s que incorporam os aspectos estruturais e comportamentais. O modelo computacional é fundamentado na proposta de um Modelo Aberto para Robôs com a finalidade de desenvolver e implementar o programa de computador que controlará o sistema CEMAR/UFSC (Raposo e Stemmer, 2007). 3.1 GUINDASTE ROBOTIZADO A concepção cinemática consiste na identificação do número de elos e juntas do manipulador, assim como as dimensões e limites de operação destes elementos (Denavit e Hatenberg, 1955). Considerando o caminhão parado como descrito na figura 2, avaliou-se o alcance do jato de lavação no espaço bidimensional. O objetivo desta simplificação foi identificar quais tipos de juntas e quais dimensões dos elos subseqüentes seriam necessárias. Nas concepções estudadas vale observar nas figuras 2a 2b e 2c a presença da junta prismática (em negrito). A utilização da junta prismática permite um alcance maior do manipulador utilizando para isso outros elos de menor dimensão. Porém entende-se que o projeto mecânico deste tipo de junta pode ser custoso em termos de recursos financeiros, por isso buscou-se uma solução somente com juntas rotativas. A figura 2d apresenta a primeira versão. Na figura 2d é possível observar que uma das juntas tende fortemente a colidir com o poste durante a operação, por isso esta concepção foi aprimorada juntamente com a idéia apresentada na figura 2c, e então chegou-se a uma concepção adequada. Esta concepção é apresentada na figura 3. Figura 3: Concepção final Na figura é possível observar que o segundo elo necessita ter uma forma de corcova. A questão é qual o quanto mais alto deve ser este elo e quais as dimensões devem ter cada elo do manipulador. O injetor de água fica montado numa estrutura tipo punho esférico apenas com dois graus de liberdade. Esta concepção permite lavar totalmente os isoladores aproximando o bico injetor a uma distância adequada.

4 3.2 WHMI A figura 4 apresenta o diagrama de caso de uso da WHMI utilizando a UML (Unified Modeling Language). Este modelo expressa o comportamento de como o operador irá interagir com o sistema através da interface com usuário, UI (User Interface), com suporte do hardware TPC 2012 e protocolo IEEE para sua operação wireless. 3.3 CONTROLADOR O controlador gerencia as tarefas do robô usando o sistema computacional e o servo-amplificador. O controlador não é proprietário, é aberto. Portanto, flexível a morfologia do manipulador, tipos de acionamento, ferramentas, processos, layout de interface com o usuário e a sintonia da estratégia de controle in loco no robô. A figura 6 mostra o mapeamento do que é físico em lógico, ou seja, a modelagem dos componentes que fazem parte do controlador. Figura 6: Diagrama de componentes. Figura 4: Diagrama de Caso de Uso da WHMI. O operador visualizará na UI do sistema os seguintes casos de uso: View: Mostra a visualização da ferramenta inspector. Jet: Liga/desliga a ferramenta jato d água. Increment: Incrementa a posição cartesiana do robô. Decrement: Decrementa a posição do robô. Stop: Parada imediata do robô. A interface gráfica com usuário foi projetada baseada no Diagrama de Caso de Uso da WHMI utilizando o software C++Builder 6.0 e seus componentes. O layout desta é montado como mostra a figura 5. GUI (Graphical User Interface): Modela a interface gráfica com o usuário disponibilizada na WHMI. Tool: Modela as ferramentas Jet (jato d água) e Inspector (sistema de visão). Robot: Modela o manipulador do robô. TG (Trajectory Generator): Modela o gerador de trajetória da tarefa que é executada pelo robô. O Diagrama de Classes do sistema CEMAR/UFSC é mostrado na figura 7. Este representa a estrutura de classes de objetos e seus relacionamentos no sistema. Figura 5: Layout da Interface com Usuário. No visor do painel da interface com o usuário o operador pode inspecionar visualmente o isolador elétrico verificando se a manutenção está eficaz. Ele pode ligar ou desligar o jato d água, de acordo com sua necessidade, e pode movimentar o manipulador do robô CEMAR/UFSC cartesianamente em X, Y ou Z concorrentemente. Para tal, deve selecionar o botão correspondente e incrementar ou decrementar a direção de movimentação. Ao centro do painel da interface com o usuário existe uma chave de parada de emergência, caso seja necessário parar instantaneamente a movimentação do robô. Figura 7: Diagrama de Classes

5 O diagrama de distribuição, figura 8, mostra como está organizado os códigos-fonte relativos aos componentes modelados, que serão executados de maneira distribuída no controlador, suportado pelo seu chassi industrial com as suas placas de processamento central, aquisição de imagem e controle de movimento inserido em seu barramento PXI (PCI extensions for Instrumentation). 4. Avaliação Experimental O resultado obtido a partir da avaliação experimental da máquina virtual do robô, figura 10, consistiu de um manipulador de seis juntas servo controladas com acionamento híbrido, elétrico e hidráulico, baseado em PC. Figura 8: Diagrama de Distribuição do Controlador. Robot: Arquivo biblioteca que contém as operações de um robô. Control: Arquivo biblioteca que contém leis de controle para as juntas de um manipulador. CEMARobot: Arquivo código-fonte que contém a morfologia do robô. Main: Arquivo código-fonte que contém o programa de computador do sistema. A figura 9 mostra o resultado da especificação do suporte ao modelo computacional embarcado em um PC industrial da National Instruments (NI) com os amplificadores de potência da Maxon e Rexroth. Figura 9: Controlador do Robô. Figura 10: Máquina Virtual do Robô. Propõe-se como concepção um manipulador que consista de: 1. Quatro juntas hidráulicas para posição do efetuador e mais; 2. Duas juntas rotativas acionadas eletricamente para orientação do bico. A concepção final permite também alcançar os isoladores pelo lado de dentro do poste, sem colisões. O modelo cinemático foi adicionado ao simulador e uma rotina de cinemática inversa analítica foi implementada para avaliar o desempenho da proposta. Para a operação do manipulador foram identificados os seguintes modos de operação: Junta-a-junta o operador movimenta o manipulador acionando uma junta de cada vez; Pré-lavação o operador atua conduzindo o último elo no espaço cartesiano. Neste modo, mantémse na operação junta-a-junta as últimas três juntas. Lavação compreende na operação em que as duas últimas juntas, responsáveis pela orientação do esguicho de água, atuam conjuntamente para aumentar a área de atuação da lavação.

6 A figura 11 apresenta o resultado da avaliação experimental da morfologia do manipulador CEMAR/UFSC ,5 m 5,5 m 1 m 2,5 m o o m 1,6 m 2 m saida d água Figura 11: Dimensões do Manipulador CEMAR/UFSC. Esta proposta de configuração tem como objetivo a execução do serviço de lavação sem a movimentação do guindaste principal depois de efetuado o seu posicionamento, aumentando o nível de operabilidade e segurança. Ao robotizar o guindaste, seus 3 graus de liberdade (que possibilitam o posicionamento no espaço cartesiano) são utilizados para o posicionamento do robô de lavação. Este por sua vez executa o serviço sem que o guindaste mude a sua posição. O fato do guindaste não precisar mudar de localização no processo de lavação é também um grande ponto positivo desta configuração, pois, evitam-se as oscilações (balanços) causadas pela movimentação da grande massa do guindaste (fato crítico que resulta em restrições nos níveis de velocidade, maior atenção do operador e torna o processo de lavação menos seguro). O robô agregado ao guindaste possui acionamentos elétricos, o que traz agilidade ao serviço reduzindo o tempo de lavação. Uma das câmeras é posicionada na corcova do guindaste e possibilita uma visão panorâmica do serviço. Outra câmera é posicionada no bico de lavação e é chamada de câmera de navegação. Devido à grande mobilidade do robô de lavação, é possível que operador, após posicioná-lo no ponto de trabalho, realize todo o processo de lavação através da câmera de navegação (rotacionando e transladando a câmera). A figura 12 mostra o robô CEMAR/UFSC. 5 Conclusão Este artigo mostra a concepção de um robô de serviço envolvendo as etapas de levantamento de requisitos, análise e projeto do manipulador, WHMI e controlador. O controlador de arquitetura aberta viabiliza a concepção de um robô de serviço em um prazo de dois anos através da engenharia simultânea. Os resultados experimentais demonstram que este robô é capaz de realizar a limpeza dos isoladores elétricos de sistemas de distribuição de energia de maneira segura e com qualidade, operando no espaço operacional através de sua WHMI. Acredita-se que outras áreas podem absorver os benefícios da robótica no Brasil, principalmente, robôs de serviço, através de parcerias entre empresas, centro de pesquisas e universidades com o apoio da ANEEL. Referências Bibliográficas Adôrno, B. V., Aguiar, C. S. R. e Borges, G. A.. Planejamento de Trajetória para Robô OMNI Utilizando o Algorítimo Mapa de Rotas Probabilístico, Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI), Belan, H. C. Formalização da Rede de Petri Canal/Agência para Projeto de Equipamentos Industriais Dissertação de Mestrado em Engenharia de Automação e Sistemas - Universidade Federal de Santa Catarina. Denavit, J. and Hartenberg, R.S., (1955), A kinematic notation for lower-pair mechanisms based on matrices", Journal of Applied Mechanics, 1955, Vol. 77, pp De Negri, V. J.. Conception Of Automatic Test Benches For Hydraulic Components. In: Bath Workshop on Power Transmission and Motion Control (PTMC 98), UK : University of Bath, v. 1. p Ford, W. E.; What is an Open Architecture Robot Controller? in: International Symposium on Intelligent Control (aug. 1994) IEEE proceedings. p Paim, P. K.; Jouvencel, B.; Borges, G. A.; Controle Reativo para o Robô Submarino TAIPAN; SBAI, Raposo, E. P.; Stemmer, M. R.. Estado da Arte em Controladores de Arquitetura Aberta Aplicados a Robôs. Revista C & I. Controle & Instrumentação, v. 10, p , Raposo, E. P.; Stemmer, M. R.; Um Controlador de Arquitetura Aberta Aplicado a um Robô REIS RV-15 para Avaliação de Processos de Medição e Soldagem Robotizada; SBAI, Winner, R. I.; Pennell, J. P.; Bertrend, H. E.; Slusarczuk, M. M. G. The Role of Concurrent Engineering in Weapons System Acquisition. IDA Report R-338. Alexandria: Institute for Defense Analysis, Figura 12: Robô CEMAR/UFSC