PROJETO MECATRÔNICO DE MANIPULADORES PARA TRANSFERÊNCIA DE CARGA EM OPERAÇÕES OFFSHORE

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1 VI CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA VI NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING 18 a 21 de agosto de 2010 Camina Grande Paraíba - Brasil August 18 21, 2010 Camina Grande Paraíba Brazil PROJETO MECATRÔNICO DE MANIPULADORES PARA TRANSFERÊNCIA DE CARGA EM OPERAÇÕES OFFSHORE Camilla Mello, camillabmello@yahoo.com.br 1 Ivanovich Lache, ilache@ufrj.br 1 Max Suell Dutra, max@mecanica.coe.ufrj.br 1 Matthias Lemmerhirt, matthias.lemmerhirt@tuhh.de 2 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) Laboratorio de desenho de máquinas e robotica. 2 Hamburg University of Technology (TUHH) Dearment of Fluid Dynamics and Shi Theory. Resumo: Nas oerações navais atuais existe uma constante necessidade ara melhorar as condições de segurança em grande arte dos rocedimentos realizados. Entre todas as oerações realizadas dentro de um navio, existem algumas que envolvem a interação entre um ou mais navios, como or exemlo, o reboque de um navio e a transferência de carga. Nesse último exemlo, transferência de carga entre dois navios quando os mesmos se encontram fora do orto, é onde se encontra este trabalho, esecificamente no rojeto do maniulador que deve ser imlementado ara a realização desta tarefa. As transferências de carga offshore entre dois navios envolvem basicamente três comonentes, os controladores de osição das cargas, os comonentes logísticos e os maniuladores mecânicos ou guindastes. Todos os comonentes anteriormente mencionados deendem diretamente das condições marítimas e das interações hidrodinâmicas entre os navios envolvidos. Esta deendência dificulta a oeração e a restringe às condições ambientais. Para melhorar estes tios de oerações é desenvolvido um rojeto mecatrônico de uma nova conceção de guindaste com 6 graus de liberdade ara as alicações de transferência de carga offshore. Neste trabalho é aresentada a dinâmica do guindaste e uma comaração do novo rojeto com os guindastes utilizados tradicionalmente. Nas comarações realizadas é ossível observar as vantagens de utilizar maniuladores com 6 graus de liberdade assim como as grandezas das forças envolvidas numa transferência de carga. Para realizar este objetivo, modelos matemáticos dos sistemas foram desenvolvidos assim como simulações que ermitiram o estudo e análise das diversas condições da oeração. Finalmente um conjunto de trabalho futuros é aresentado assim como metodologias ara o cálculo da interação hidrodinâmica entre os dois navios. Palavras-chave: Maniuladore aralelos, Tranferência de Carga. 1. INTRODUÇÃO Diante da crescente demanda de transorte marítimo, navios cada vez maiores estão sendo construídos solicitando o crescimento de ortos em mesma escala (Man Bw Diesel A/S., 2005). Atualmente, o maior navio transortador de container, o MSC Daniela, tem 366 metros de comrimento e caacidade nominal de TEU, não aorta no Brasil devido às restrições de tamanho e calado. Esse cenário arece cada vez mais comum não só no aís mas em todo o mundo, exigindo obras caras de exansão ortuária ou custos altos com logística e transorte terrestre (Nottebom 2004). Uma solução ara essa endência é a transferência de cargas entre navios em águas rofundas. A mesma idéia tem sido utilizada em terminais de carga flutuantes fora de orto ara granel e líquidos, onde navios de grande orte descarregam em terminais em alto mar nos quais navios de menor orte são então carregados e seguem ara diferentes destinos. As transferências de carga offshore entre dois navios envolvem basicamente três comonentes, os controladores de osição das cargas, os comonentes logísticos e os maniuladores mecânicos ou guindastes. Neste ultimo comonente está centrado o desenvolvimento deste artigo, onde é aresentado uma nova configuração de guindastes. Esse guindaste, denominado de CABLEV ossui 3 atuadores bi-lineais indeendentes o que ermite atingir os 6 graus de liberdade (GDL). Esse equiamento oderá revolucionar o atual sistema de logística no Brasil e será adequado ara atender a uma necessidade futura do setor, reduzindo significativamente o temo e os custos gerados elo desembarque tradicional. Esta nova medida, além de agilizar o rocesso e reduzir os gastos com o transorte, oderá ser a solução ara a eserada saturação dos rinciais ortos do aís nos róximos 30 anos. Além das vantagens já citadas, em situações de risco como adernamento, incêndios e desastres ambientais o sistema seria de extrema relevância visto que a carga oderia ser salva mesmo durante o sinistro. Assim dito, esse sistema quando desenvolvido e alicado a indústria naval ode ossibilitar a transferência de cargas de sistemas de grande orte que transortem grande quantidade de

2 containers e aenas oucos deles seriam descarregados em alguma região. O mesmo ossibilitaria uma diminuição grande nos custos de manutenção de ortos em diversos lugares do aís, facilitaria o salvamento de cargas e de essoas quando em situação de risco, ajudaria no escoamento de cargas do aís entre outras vantagens. Para melhorar este tio de oeração este trabalho aresenta um simulador ara transferência de carga em sistemas offshore ara navios. Nesse contexto, o sistema ossui dois maniuladores aralelos com 6 GDL caazes de reroduzir o esectro de movimento de navios em águas rofundas e um maniulador do tio guindaste resonsável ela transferência de carga.. A idéia global ode ser observada na Figura 1). Figura 1 - Esquemático do sistema de navios ara transferência de carga fora de orto (FRANÇA, et al., 2009) Da mesma forma será aresentada a dinâmica do guindaste tradicional assim como uma comaração do novo rojeto com os guindastes utilizados atualmente. Nas comarações realizadas é ossível observar as vantagens de utilizar maniuladores com 6 graus de liberdade assim como as grandezas das forças envolvidas numa transferência de carga. 2. MANIPULADORES TIPO GUINDSTE Nesta seção são aresentados dois tios de guindastes, os denominados tradicionais e a nova conceção denominada de CABLEV. Nesta área de maniuladores se encontram diversos trabalhos que abordam a modelagem dos guindastes (Jie L 2005; Verschoof J., 2002) e os controladores usados neles (Groom N, 2002 ;Yang K S, 2006). No resente trabalho o modelo do sistema é aresentado na seção 2.1 e a técnica de controle ara o guindaste tio Cablev na seção Abordagem Tradicional Foi desenvolvido um modelo de um maniulador de carga tio cartesiano, o qual é osicionado no navio, or tanto, os movimentos do dito maniulador são afeitados ela dinâmica do navio. Geralmente, ara identificar ou modelar os movimentos do navio são usados 6 graus de liberdade ( Fossen T, 1994; Shaier SH 2005). A Tab. (1) indica os nomes ara os diferentes graus de liberdade. Tabela 1. Os nomes ara os graus de liberdade do navio Nome Avanço (Surge) Deriva (Sway) Afundamento (Heave) Jogo (Roll) Arfagem (Pitch) Guinada (Yaw) Movimento translação no eixo X translação no eixo Y translação no eixo Z rotação em torno do eixo X rotação em torno do eixo Y rotação em torno do eixo Z Definidos os movimentos do navio devem ser calculadas as resectivas transformações de base ara cada grau de liberdade em uma determinada ordem, ara este caso em articular, rimeiro serão avaliadas as rotações sobre cada eixo e logo deois os deslocamentos, ortanto, odemos observar a rotação sobre o eixo x denominada (Jogo) na Eq. (1) na rotação sobre o eixo Y denominada (Arfagem) na Eq. (2) e, finalmente, ara terminar as rotações sobre os resectivos eixos, temos a matriz de transformação ara a rotação sobre o eixo Z denominada (Guinada) na Eq. (3).

3 (1) (2) (3) O mesmo rocedimento é realizado ara os deslocamentos nos resectivos eixos do navio, ortanto temos os três deslocamentos sobre os eixos X (Avanço), Y (Deriva) e Z (Afundamento) reresentados elas matrizes descritas na Eq. (4). (4) Devido a isso, ode-se encontrar o deslocamento do navio simlesmente multilicando as matrizes anteriores, assim como é aresentado na Eq. (5). O resultado da multilicação é uma matriz de transformação do marco de referência inicial até o marco de referência do navio, esta matriz é denominada or e esta descrita na Eq. (6). (5) (6) Para obter a osição final do navio a reseito do marco de referência fixo, são utilizados os elementos, e, da Eq. (6), os quais estão descritos nas Eq. (7) (8) e (9). Estes elementos reresentam: Posição no eixo X = Posição no eixo Y= Posição no eixo Z = Maniulador cartesiano No momento em que qualquer tio de carga deixa a suerfície do navio, ode-se considerar como uma carga endurada, e se a carga é modelada como uma carga ontual reresenta-se o sistema como um êndulo simles, ara comlementar o modelo. O elemento seguinte ara se definir é o maniulador, neste exemlo se define como um (7) (8) (9)

4 maniulador cartesiano que movimenta a carga endurada (êndulo simles), o sistema maniulador-carga simlificado, ode ser observado na Fig. (2). Figura 2. Ilustração do maniulador resonsável elo deslocamento da carga A osição do êndulo em qualquer instante do temo em referência ao navio é dada or um conjunto de matrizes de transformação que vão desde o navio, assando elo maniulador, até chegar à carga ontual, ara encontrar a osição da carga em referência ao navio tem-se que imlementar novamente as matrizes de transformação. (10) (11) Nesse caso a Eq. (10) reresenta a matriz de transformação que leva o marco de referência do navio até o marco de referência do maniulador levando em consideração que as variáveis, e que são os deslocamentos axiais do mecanismo de osicionamento da carga. A Equação (11) é a matriz que leva desde o maniulador até a carga onde é o comrimento do cabo que une o maniulador à carga, e reresentam os ângulos de giro sobre os eixos X e Y do maniulador os quais ermitem definir a osição do êndulo em qualquer momento. Para definir a osição da carga a reseito do marco de referência fixo na terra, devemos fazer uma transformação, isso é ossível multilicando as matrizes de transformação, e da equação, gerando a Eq. (12) que reresenta a transformação de marco fixo na terra até a carga denominado. (12) O resultado de Eq. (12) é uma matriz de 4x4, novamente os elementos mais imortantes desta matriz, or ermitirem conhecer a osição da carga a reseito do marco de referência fixo, estão osicionados na Eq. (13) ara X, Eq. (14) ara Y e Eq.(15) ara Z. (13)

5 (14) Equação de Lagrange Um dos métodos mais clássicos ara a obtenção de modelos físicos é aquele roosto or Lagrange, onde a artir do cálculo do Lagrangeano se ode encontrar a equação do movimento do sistema, ortanto o rimeiro asso é a consecução do Lagrangeano, este não é mais que a energia cinética menos a energia otencial, a equação é reresentada ela Eq. (16). (15) (16) A Equação (17) mostra em detalhe as variáveis do Lagrangeano, onde m reresenta a massa da carga, v a sua velocidade, h a altura da carga com reseito ao eixo de referência da terra e finalmente g que reresenta a gravidade. Aroveitando o conhecimento da osição da carga a reseito do marco de referência da terra, é ossível encontrar o valor da velocidade e altura da carga em todo momento, foi desenvolvido o Lagrangeano ara o sistema da carga endurada, o resultado é uma equação que deende de Deois de obter o Lagrangeano é ossível encontrar a equação do movimento da carga, ara isso, é imortante relembrar a equação do movimento de Lagrange, reresentado na Eq. (18). Neste caso reresenta o grau de liberdade ara o qual se rocura a equação do movimento, neste caso, em articular, é necessário encontrar a equação do movimento da carga a qual é reresentada elos dois graus de liberdade e Fazendo as resectivas derivações obtemos uma exressão ara que deendem das mesmas variáveis do Lagrangeano mais as variáveis e Simulações do modelo Para observar o comortamento da carga endurada quando o guindaste era submetido a erturbações externas, simulando estar osicionado dentro de um navio, foram obtidos os movimentos de um navio utilizados nos simuladores do CIAGA (Centro de Instrução Almirante Graça Aranha), os dados do navio assim como as condições de mar imlementadas ara obter esses resultados se encontram na Tab. (2). (17) (18)

6 Tabela 2. Condições de simulação, Cortesia CIAGA. Condição Valor Tio do navio PANAM AX Calado do Navio 11m Comrimento do Navio 220m Boca do Navio 32m Esectro de ondas utilizado Short Crest 3D Condições iniciais Nulas Lamina de água 100m Condição marítima Mar 5 Altura de onda 3.1m Velocidade do vento 37km/h Os resultados dos dois dos seis graus de liberdade (Deslocamento vertical e rotação sobre o eixo do avanço) estão descritos na Fig. (3). Figura 3. Dados de excitação do navio (Cortesia CIAGA) Alicando os dados obtidos na Fig. (3) sobre o modelo desenvolvido do guindaste foi achada a resosta da carga endurada, a sua osição como era de eserar é modificada elas erturbações, a resosta da carga endurada é observada na Fig. (4). Figura 4. Resosta excitação guindaste (Cortesia CIAGA)

7 2.2. Cablev O rojeto do Cablev consiste em um sistema de transorte de carga através de uma laca susensa or três cabos de comrimento variável (Pc1, Pc2, Pc3). Cada cabo é fixado em um carro elétrico (trolley) que se translada sobre um trilho( Pg1, Pg2., Pg3). Adicionalmente a base do guindaste ode rotacionar(g0), resultando em um mecanismo redundante com 7 GDL. Para solucionar essa questão foi alicada uma restrição na movimentação dos trolleys, a distância P entre os Trolleys mais externos deveria ser constante. Na Fig. (5) é ossível contemlar essas informações. Figura 5 - a) Esquemático do Cablev; b) Graus de liberdade e sistema de referência do sistema Considerando o efetuador com uma laca fina no formato de um triângulo equilátero de lado l 1, seus vértices no referencial local K é dado ela matriz d, onde cada coluna reresenta as coordenadas x, y e z de um vértice. Sejam as r = r r r e a matriz de rotação coordenadas do centróide reresentadas elo vetor [ ] T T ( θ ) T ( θ ) T ( θ ) x x y y z z x y z = no referencial inercial K 0. Os vetores dos cabos são dados ela Eq. (19). T rx 1 g1 g2 g3 c = r y 1 [ T ][ d] [ T ][ Tg ] 0 l 0 2 l r 1 h h h z (19) As forças F c e os momentos direção das forças e o vetor λ as intensidade da mesmas. L c exerimentados elos cabos é definido ela Eq. (20) onde a matriz c aresenta a λ1 Fc = c λ 2 ; Lc = D Fc = di ( ciλi )=[ di ci ][ λi ] λ 3 (20) Em termos dinâmicos a equação que rege o sistema é dada ela Eq. (21). c M && y +k y & =k Onde e + F c M y&& abrange as força inerciais, esforços externos ao sistema. Isolando k c y& engloba as forças centríetas e de Coriollis e k e Fc na Eq. (21) obtêm-se (21) comreende os

8 λ = 1 c e c M && y +k y& -k λ d c [ LHS ] 123 λ3 G (22) A matriz G or sua vez ode ser decomosta em uma matriz constante relacionada aenas com a geometria do sistema e uma matriz que deende das coordenadas generalizadas 0, 1, 2, 3 e a Eq. (22) ode ser reescrita segundo a Eq. (23) [ LHS] G ( y ) + G ( ) λ 1 F F g λ = 2 GL ( y ) GL ( g ) + λ3 g g g g 23 Com essa grandezas em mãos é ossível calcular ara uma trajetória desejada do centróide do efetuador a osição de cada trolley, a rotação da base e o comrimento dos cabos ara cada instante do trajeto. Para tanto foi utilizado um método iterativo seguindo os seguintes assos: 1- Inicialização de g com uma solução estática de equilíbrio ou com a configuração anterior; 2 Calculo da matriz G ara os valores inicias; 3 Redução do sistema ara 3 3 elo método dos mínimos quadrados; 4 Solução do sistema linear ara λ ; 5 Searação a arte conhecida [ G( y ) + G( g 0)] λ junto a LHS; 6 Substituição g,i na matrix G( g ) or λi calculados; Ademãos da restrição ara a sétima coordenada b b = g1 g 2 g 3 = const ; Redução do sistema ara 3 3 elo método dos mínimos quadrados ; 9 Solução do sistema linear ara λ ; 10 G( 0) é calculado searadamente. g Matematicamente odemos simlificar os assos nas Eq. (24) e Eq. (23): λ 1 1 T GF ( y, g ) GF ( y, g ) λ 2 = [ LHS] GL ( y, g ) GL( y, g ) λ T g T G ( ) ( ) ( ) (, 0) F λ GF λ GF λ GF y g g 2 = [ LHS] [ λ] G ( ) ( ) ( ) GL( y, g 0) L λ GL λ GL λ g3 25 Esse esquema é reetido ara cada osição desejada até o erro entre os dois lados da equação seja menor que um determinado valor. Como exemlo do rocedimento e do acomanhamento de uma trajetória segue o resultado de uma simulação na Fig. (6).

9 Figura 6 Cablev em funcionamento Esta abordagem ermite a imlementação do CABLEV em oerações de acomanhamento de trajetórias, o que ermite sua imlementação nas oerações de transferência de carga ois devido ao movimento relativo entre os dois navios é necessário utilizar sistemas que ermitam içar ou osicionar uma carga a medida que os navios se encontram em movimento. 3. SIMULADOR Baseado nos resultados alcançados foi desenvolvido em LabView um rograma caaz de imrimir o comortamento desejado em duas lataformas Stewart indeendentes ara rerodução de movimentos de navios. Em uma das lataformas foi montado um guindaste do tio Cablev cujo o atuador deve ser caaz de seguir a movimentação da outra lataforma. O software oferece uma visão em três dimensões do sistema e ermite que o usuário ote or trajetórias redefinidas ou configuradas manualmente. A Fig. (7) mostra a tela do rograma e seus comonentes serão enumerados. Os dados ara geração das trajetórias redefinidas que alimentam o sistema são rovenientes do simulador de navios do CIAGA. Figura 7 - Simulador Virtual ara transferência de Carga 1. Dados físicos da das lataformas; 2. Oção de escolha ara trajetórias redefinidas ou manualmente; 3. Configurações redefinidas ara trajetórias;4. Comandos manuais ara movimentação dos 6 GDL da lataforma;

10 5. Abas ara escolha de análise dinâmica e interferência do vento ;6. Visualização 3D do sistema;obs: Os itens 2, 3 e 4 são indeendentes ara cada lataforma. Para condições de mar descritas e de navio descritas na Tab. (2), é ossível obter os resultados do simulador aresentados na Fig. (8). Figura 8 Resostas do simulador Na Fig. (8) é ossível observar que os deslocamentos gerados ela movimentação do navio são acomanhados ela maniulador do CABLEV o que ermitiria um acole seguro entre o guindaste e a carga a ser içada. 4. CONCLUSÕES O artigo mostra em detalhe o modelo matemático simlificado de um guindaste tradicional, neste modelo é ossível introduzir erturbações (movimentação do navio, vento, etc) o que ermite estudar a sua influência sobre uma carga endurada. O modelo foi submetido a condições marítimas descritas no artigo ara osteriormente avaliar a resosta do guindaste ara estas erturbações. Grandes deslocamentos na carga endurada foram achados, movimentações de até 3m da osição de reouso, o que ermite afirmar que nas condições de mar citadas e com controladores desenvolvidos ara rejeitar erturbações rovenientes do vento, os guindastes tradicionais não oderiam realizar uma oeração de transferência de carga com uma segurança desejada. Continuando o trabalho com guindaste foi aresentado um novo conceito de guindaste ara a transferência de carga entre dois navios, esse tio de guindaste conhecido como o CABLEV que ermite maniular uma carga em seis graus de liberdade. Baseados no modelo dinâmico do CABLEV o trabalho aresenta uma forma de controlar a osição do guindaste utilizando a informação de seu modelo. O modelo ostulado mostrou-se aroriado nas diversas simulações aresentadas o que ermite afirmar que sua imlementação em oerações de transferência de carga offshore é viável e necessária. Finalmente foi desenvolvido um simulador da oeração de transferência de carga onde foram avaliados os diversos cenários do rojeto o que corresonde a uma ferramenta útil na imlementação das diversas hióteses de controle. 5. AGRADECIMENTOS Os autores exressam seu agradecimento à FINEP elo aoio ao rojeto CT- Aquaviário convenio

11 6. REFERÊNCIAS Fossen T., 1994 Guidance and Control of Ocean Vehicles. JohnWiley and Sons, New York. Groom N, Robinnet D., 2002, Pendulation control system and method for rotary boom crane. Patent No US 6,442,439 B1. Jie L Guangfu S, Kleeberger M., 2005, Comlete dynamic calculation of lattice mobile crane during hoisting motion. Mechanism and machine theory. MAN BW DIESEL A/S., 2005, Proulsion trends in container vessels. Man BW diesel a/s industrial manual reference. Nottebom T., 2004, Container shiing and orts: An overview. Review of Network Economics. Shaier SH., 2005, Hidrodinâmica. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Yang K S Yang J H., 2006 Adative couling control for overhead crane systems. Mechatronics. Verschoof J., 2002 Cranes - Design, Practice and Maintenance. Professional Engineering Publishing Limited. London and Bury St Edmunds UK. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos resonsáveis elo conteúdo do material imresso incluído no seu trabalho.

12 MECHATRONICS PROJECT FOR OFFSHORE CARGO TRANSFER MANIPULATORS Camilla Mello, 1 Ivanovich Lache, 1 Max Suell Dutra, 1 Matthias Lemmerhirt, 2 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) Laboratorio de desenho de máquinas e robotica. 2 Hamburg University of Technology (TUHH) Dearment of Fluid Dynamics and Shi Theory. Abstract: In the current naval oerations there is a constant need to imrove security conditions in most of the rocedures erformed. Among all transactions within a shi, there are some that involve interaction between one or more vessels, such as towing a shi and cargo transfer. In the latter, the conteiner s transfer between two shis when they are outside the ort is this aer focus, secifically in designing a maniulator that should be imlemented to achieve this task. Cargo's transfer between two shis offshore basically involve three comonents: the loads' osition controller, logistics' comonents and mechanical maniulators (or cranes). All these comonents mentioned above deend directly on sea conditions and hydrodynamic interactions between the shis involved. This deendence comlicates the oeration and restrict it to environmental conditions. To imrove these tyes of oerations is develoed a mechatronic design of a new design of crane with six degrees of freedom for cargo transfer offshore. This work resents a dynamics study of the crane and a comarison between this new roject and cranes used traditionally. In comarisons it is ossible to observe the benefits of using maniulators with six degrees of freedom as well as the magnitudes of forces involved in this rocess. To accomlish this goal, mathematical models were develoed and simulations allowed the study and analysis of different conditions of oeration. Finally a set of future work is roosed as well as methodologies for calculating the hydrodynamic interaction between the two shis. Palavras-chave: Parallel maniulators, Offshore transfer oeration.