curitiba - pr - brasilabradee03.org/sendi2016/wp-content/uploads/2016/12/4102.pdf · poda de...
TRANSCRIPT
XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica
SENDI 2016 - 07 a 10 de novembro
Curitiba - PR - Brasil
Luciano Cavalcante Siebert Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected]
Luis Ricardo Alfaro Gamboa Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected]
Alexandre Müller [email protected]
André Luis Müller [email protected]
Dailton Pedreira Cerqueira Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia [email protected]
Bruno dos Santos Mota Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia [email protected]
José Francisco Bianchi Filho Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected]
Otavio Mitsuru Shiono Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected]
Fabio Yukio Nara Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected]
Tui Alexandre Ono Baraniuk Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento [email protected]
Desenvolvimento de um Equipamento Robotizado Telecomando para Poda de Árvores Junto à Rede Elétrica
Energizada: Aspectos de Segurança
Palavras-chave
Poda
Redes de distribuição
Robótica
Segurança
Teleoperação
Resumo
A metodologia utilizada atualmente para poda de vegetação próxima às linhas energizadas em perímetro urbano
é a utilização de equipe de linha viva. Nessa metodologia se faz necessária a aproximação de um eletroarborista
da região de corte, seja por meio de escada ou cesto aéreo. Devido aos inerentes riscos dessa atividade, está
sendo desenvolvido um equipamento de poda robotizada teleoperado para que o eletroarborista possa realizar a
poda de maneira segura. Retirar o eletroarborista da região de corte é apenas um primeiro passo ligado a
segurança, outros riscos envolvem possíveis colisões do robô, contato com a rede energizada, robustez
mecânica do sistema e do software de controle.
Neste artigo será dada uma visão geral dos desafios e da solução desenvolvida e serão apresentadas as
soluções adotadas para os riscos associados, enumerando os sensores utilizados, materiais empregados,
1/12
arquiteturas adotadas e sistemas desenvolvidos para garantir que o procedimento de poda robotizada
teleoperada possa ser seguro e confiável.
1. Introdução
A metodologia de poda aplicada por parte das concessionárias de distribuição consiste, quando na proximidade de redes
energizadas, na utilização de um caminhão de linha viva, serras e podadores (hidráulicos, a combustão ou manuais),
facões e foices. Este tipo de atividade deve ser executada por um eletroarborista, profissional preparado para trabalhar
com manejo de vegetação nas proximidades das redes elétricas. O eletroarborista utiliza o cesto aéreo de um caminhão
de linha viva para se aproximar da árvore e realiza a poda dos galhos com serra ou podador e, na sequência, os demais
colaboradores em solo fazem a segmentação dos galhos e são responsáveis pela sua destinação. O transporte é
geralmente realizado por uma equipe dedicada a isso, com um caminhão adicional. As metodologias para realização de
poda de árvores são usualmente elaboradas com base em três pilares:
Sistemas de distribuição: Possibilitar um fornecimento de energia ininterrupto ao evitar o contato dos galhos com
a rede de distribuição;
Meio Ambiente: Respeito e devido encaminhamento de questões ambientais;
Segurança: Assegurar que os colaboradores responsáveis pela poda de árvores e a comunidade em geral
contém com um ambiente seguro.
Em relação à questão da distribuição de energia, segundo Simpson e Bossuyt (1996) as árvores são uma das principais
causas das falhas nas redes de distribuição, não obstante aos gastos significativos para tal atividade. Esse fato motivou
o desenvolvimento do presente trabalho e também já impulsionou diversos outros estudos tais como Guikema et al
(2006), que apresenta um modelo estatístico que comprova que o aumento da frequência das podas resulta em uma
diminuição significativa do número de falhas causadas pelas árvores e Radmer et al (2002), que apresenta a concepção
de um modelo de crescimento de árvores para a previsão de taxas de falhas em sistemas de distribuição devido ao
contato com vegetação.
Fortes et al. (2010), por sua vez, apresenta um estudo no qual analisa a retirada de todas as árvores sob uma linha de
distribuição aérea com extensão de 35 km sob a qual estão aproximadamente 1500 árvores. Para compensar essa
retirada, seriam plantados eucaliptos em locais específicos e distantes da rede. Pelo método do valor presente liquido
(VPL), a viabilidade ocorreria após um ciclo de 7 anos com os fluxos de caixa advindos do corte do replantio.
Infelizmente, esta é uma solução extremamente prejudicial à flora, pois seriam retiradas árvores nativas de uma
determinada região, prejudicando todo um ecossistema.
As árvores proporcionam benefícios diretos ao ambiente urbano, tais como o conforto térmico proporcionado pela
manutenção da umidade do ar, a retenção do CO2, a melhora da qualidade do ar e a redução da poluição sonora,
atuando como barreiras contra ruídos. É necessário um bom planejamento da arborização urbana pelos órgãos públicos,
o qual deve ser revisto de maneira contínua e permanente para propiciar benefícios à sociedade e a convivência
adequada com os demais elementos urbanos. Quando a poda não é realizada conforme procedimentos que atentem às
características das árvores no ambiente, impacta-se significativamente no desenvolvimento destas, assim como em
outros componentes do ecossistema urbano. Entupimento de bueiros pelos resíduos é observado durante temporais
repentinos. Existem estudos que explicitam como a poda deve ser realizada e como ela influencia o desenvolvimento da
árvore (SEITZ, 1996) e da relação entre a arborização urbana e a distribuição de energia (MAREK, 2008; SILVA et al,
2008).
Velasco (2003) afirma que é notório que a convivência entre redes de distribuição e árvores de rua é um dos principais
2/12
problemas da arborização viária, sendo a poda o método mais utilizado para contorna-lo. Todavia embora a poda livre
galhos da rede, em um primeiro instante, acaba por estimular novas brotações, as quais, em um curto espaço de tempo,
poderão atingir novamente os fios. Essa questão reafirma a importância de um agendamento e realização de
procedimento de podas de maneiras correta, levando em contato questões dos sistemas de distribuição de energia, mas
também variáveis climáticas e fitotécnicas.
O melhor cenário para convivência entre a arborização e redes de distribuição é a implantação correta de um plano de
arborização adequado, considerando as características do meio circundante. Caso isso não seja realizado faz-se, em
muitos casos, necessária a poda ou mesmo a remoção de árvores. A gestão da arborização urbana, incluindo
planejamento, plantio, manutenção e conservação das árvores é responsabilidade do poder público. As concessionárias
de distribuição de energia, porém, devem executar atividades de poda de árvores sempre que as condições normais de
operação da rede elétrica estejam sendo ameaçadas.
A convivência entre a arborização e as redes de distribuição de energia deve ser planejada, pois, caso contrário, podem
ocorrer acidentes tais como o rompimento de cabos condutores (gerando interrupção no fornecimento), possível queima
de equipamentos elétricos, ou mesmo acidentes com transeuntes (CEMIG, 2011).
A poda de árvores é um trabalho realizado diversos metros acima da altura do solo, o que certamente indica riscos.
Associado a isso temos também os riscos de se trabalhar próximo a condutores energizados, riscos de incidentes
ocasionados pela aproximação do equipamento de poda à rede energizada, ataque de insetos, queda de galho em
transeuntes, lesões com facão e foices, além de atropelamento.
Levando em conta os temas supracitados, fica clara a importância do desenvolvimento de procedimentos e
equipamentos para a realização de poda na proximidade de redes energizadas que permitam: i) operação confiável do
sistema de distribuição de energia; ii) realização da poda com mínimos danos às árvores e iii) condições seguras aos
responsáveis por realizar esse procedimento assim como aos transeuntes.
O presente artigo apresenta os resultados parciais do projeto de P&D 0047-0062/2012 “Desenvolvimento de ferramental,
equipamentos e metodologia para realização de poda com rede energizada em áreas urbanas através de braços
mecânicos com comando remoto”, desenvolvido no âmbito do programa de de pesquisa e desenvolvimento da ANEEL,
financiado pela Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia (COELBA) do grupo NEOENERGIA, e executado pelos
Institutos Lactec e a empresa Ferramentas e Equipamentos Elétricos Rio Grande do Sul (FEERGS). O principal objetivo
é o desenvolvimento de um sistema robotizado teleoperado para realização de poda de árvores na proximidade de redes
energizadas, que também possibilite a trituração e transporte dos resíduos.
Com esse projeto pretende-se otimizar a produtividade das equipes de poda, atendendo quesitos ambientais e,
principalmente, eliminando os fatores de risco supracitados. O foco desse artigo será nas soluções e procedimentos
desenvolvidos para a melhoria dos requisitos de segurança na realização de poda de árvores próximas a redes
energizadas.
No desenvolvimento do artigo serão inicialmente discutidos procedimentos básicos relacionados à poda de árvores. Na
sequência, é apresentado o projeto conceitual do equipamento teleoperado robotizado desenvolvido e então são
apontados riscos e soluções mitigadoras adotadas para as diversas áreas do projeto. Por fim, é apresentado o protótipo
em escala reduzida desenvolvido.
3/12
2. Desenvolvimento
2.1. Procedimentos para Poda de Árvores
Segundo Marek (2008), a poda de árvores tem a função de adaptar a árvore e seu desenvolvimento ao espaço que ela
ocupa. A poda de árvores em áreas urbanas pode ser dividida em três classes (SEITZ, 1996):
Poda de educação: aplicada para direcionar o desenvolvimento da copa contra a tendência natural do modelo
arquitetônico da espécie;
Poda de contenção: visam evitar problemas futuros com galhos secos que possam cair e a eliminação de focos
de fungos e plantas parasitas que enfraqueçam os galhos. Este tipo de poda é realizada na fase adulta da árvore;
Poda de segurança (emergencial): visa prevenir acidentes iminentes, tanto devido a execuções incorretas das
podas previamente realizadas, quanto devido à alteração do ambiente urbano.
A poda de contenção deve ser executada principalmente nos galhos que interferem na rede primária e secundária,
independentemente da topologia da árvore (COELBA ,2009). Esta poda deve ser executada por profissional habilitado
(eletroarborista), sendo necessária a avaliação da estrutura da copa, a fim de definir o modelo de poda a ser adotado de
forma a manter o equilíbrio da copa da árvore. Segundo procedimento da COELBA, a poda emergencial deve ser
realizada em duas situações específicas: i) quando o galho estiver causando interrupções de energia ou riscos de
incêndio por estar muito próximo à rede elétrica; ii) quando o galho da árvore atingir os condutores, através da ação do
vento, mesmo não estando em contato permanente com a rede elétrica.
As ferramentas comumente utilizadas para a poda de árvores em ambientes urbanas são tesouras de poda, podão,
serras manuais e motoserra. Essas ferramentas podem ser tanto hidráulicas quanto a combustão ou manuais. Alguns
dos acessórios utilizados para garantir a segurança dos funcionários responsáveis pela poda em árvores urbanas e
também dos transeuntes, conforme Seitz (1996) e CEMIG (2011), são escada, corda, andaime, plataforma elevatória ou
cesto e grua. Vale citar também a necessidade de utilizar equipamentos de proteção individual (EPIs) e equipamentos
de proteção coletiva (EPCs) adequados para trabalho em altura e, quando necessário, trabalho próximo a redes
energizadas. As distâncias mínimas a serem respeitadas entre a copa da árvore e os condutores da rede elétrica são
(COELBA, 2009): 2 metros para rede primária com condutores nus, 0,5 metro para rede primária compacta com
espaçador ou cruzeta, 1 metro para rede secundária com condutores nus e, no caso de rede secundária com condutores
multiplexados, a indicação é evitar que os galhos exerçam esforço mecânico nos condutores.
2.2. Projeto Conceitual
Para se chegar à concepção do equipamento robotizado teleoperado para poda de árvores aplicou-se a metodologia de
projeto apresentada por Tsai (2001), que divide o processo de projeto de mecanismos em três fases inter-relacionadas:
projeto informacional, projeto conceitual e projeto do produto. O sistema robotizado projetado é composto de dois braços
robóticos linearmente acoplados. O primeiro, denominado posicionador, é composto por duas lanças telescópicas, as
quais são movimentadas através 3 juntas rotativas (giro da base, conexão entre base e 1ª lança, e conexão entre 1ª e 2ª
lança). O espaço que seria destinado para o cesto em um caminhão de linha viva convencional foi então “substituído”
por um braço robótico, denominado manipulador, o qual é acoplado linearmente ao primeiro e possui 3 juntas rotativas
assim como a possibilidade de extensão linear da lança (telescópica). O sistema é ilustrado na Figura 1, onde a letra “R”
se refere a juntas rotativas e “P” a juntas prismáticas. Maiores informações podem ser encontradas em Siebert et al
(2015).
O equipamento robótico será comandado remotamente por um operador devidamente treinado e seus efetuadores finais
4/12
são ferramentas adaptadas para a execução das tarefas de poda: podão com garra acoplada e serra (Figura 2). O
acoplamento das ferramentas é individual, ou seja, é necessário escolher a ferramenta adequada de acordo com a
situação enfrentada. A garra acoplada ao podão é usada para evitar que galhos caiam livremente ao chão em situação
onde possam ter veículos, casas entre outros logo abaixo da posição de corte dos galhos. É importante ressaltar que em
situações usuais a garra não será utilizada, e os galhos cairão livremente no chão para serem recolhidos manualmente.
A ferramenta serra possui rotina de controle definida via software que somente permite a movimentação do manipulador
no sentido do corte da mesma, quando essa se encontra acionada. Isso evita o corte em ângulo inapropriado que possa
danificar a corrente da ferramenta.
Figura 1 – Equipamento Robótico Teleoperado para Poda de Árvores (a); Posicionador (b); Manipulador (c).
Figura 2 – Ferramentas do equipamento: Podão e garra (a); Serra (b).
O sistema projetado será acionado hidraulicamente e possui elementos isolantes para categoria C (46 kV) de forma a
respeitar as características de isolamento previstas na normativa de cestas aéreas ABNT NBR 16092 (ABNT, 2012).
Tomou-se como base para o desenvolvimento essa norma, embora o projeto não conte com uma cesta aérea acoplada
5/12
em sua extremidade. Outras normas consideradas no projeto foram a norma regulamentadora (NR) 12 “Segurança no
trabalho em máquinas em equipamentos” e também, sob alguns aspectos, a norma EN ISO 13849-1 (comandos para
segurança de máquinas).
O equipamento desenvolvido busca garantir a confiabilidade da rede e diminuir uma grande parcela dos gastos das
distribuidoras de energia com manutenção. A estimativa é que, quando tiver em operação plena, essa nova tecnologia
proporcione uma redução de até 40% nos custos operacionais, possibilitando, por exemplo, que a equipe que demanda
hoje dez profissionais envolvidos passe a contar com apenas três: um responsável por fazer a operação, através de um
rádio controle sem fio, e outros dois por sinalizar a localização e fazer a trituração dos galhos, através de um
equipamento embutido no caminhão.
O projeto, que foi iniciado em agosto de 2013 com previsão de ser concluído em meados de 2017, prevê ainda a
construção de um sistema para tratamento de todos os resíduos descartados durante a poda em uma usina de
briquetagem, contempla do início ao fim de toda o ciclo da tarefa de poda. Assim os resíduos triturados da poda serão
transformados em briquetes, que é uma lenha ecológica. Hoje, todo o resíduo da poda é descartado em aterros e tem
um custo para as concessionárias de energia. No caso da COELBA, essa medida levará a uma economia estimada de
R$ 112 mil por ano em Salvador e Região Metropolitana, que é o valor gasto com o descarte dos resíduos da poda.
No tocante dos aspectos de segurança, um dos principais benefícios do uso do equipamento para poda robotizada é a
eliminação de riscos inerentes da atividade de poda, como trabalho em altura, choques elétricos e lesão por esforços
repetitivos, além de possibilitar uma melhoria da ergonomia e qualidade do trabalho. Para isso todo o controle será
realizado a distância através de um rádio controle industrial (Figura 3). O rádio controle utilizado possui um grau de
proteção IP65 e pode se comunicar com a unidade receptora de uma distância de até 100 metros. Este rádio controle foi
projetado e customizado de modo a ser robusto, por se tratar de uma operação em campo, e também evitar o envio de
comandos indesejados, involuntários ou acidentais. Para que um comando seja executado pelo robô, os seguintes
requisitos devem ser atendidos: i) a chave seletora do modo de operação deve apontar para a parte correta do robô que
se deseja movimentar (posicionador ou manipulador); ii) um botão de segurança, localizados em ambas laterais do
controle, correspondente ao modo de operação deve ser mantido pressionado. Deste modo o acionamento das chaves
das ferramentas ou joysticks analógicos só serão interpretados e executados se os requisitos de segurança estiverem
sendo atendidos. Será ainda acoplado um tablet ao rádio controle para apresentar em tempo real as imagens das quatro
câmeras localizadas no manipulador, próximo à ferramenta, visando facilitar a operação quando o operador tiver visão
parcial da região de corte.
Figura 3 – Rádio controle industrial adaptado
6/12
Adicionalmente, é previsto rotinas automatizadas de controle para inicialização e troca de ferramenta / desligamento do
sistema. Assim, o manipulador poderá, através de um único comando, alterar o manipulador entre a posição de troca de
ferramenta (que é a mesma posição de transporte) e a posição paralela à lança 2 do posicionador (que é a posição que
facilita o início da operação ao evitar colisões com demais elementos da rua e do próprio equipamento de poda
robotizada). A execução manual desses movimentos seria difícil pois haveria a possibilidade de colisão com elementos
na rua, com os painéis elétricos, unidade hidráulica, autocolisão e mesmo colisão com a cabine do caminhão.
Para a execução de todas rotinas de controle e segurança do equipamento foram necessários dois equipamentos de
controle, um posicionado no painel inferior, o controlador mestre, e outro posicionado no painel superior, o escravo. No
primeiro, será embarcado todo o software responsável pela máquina de estados que implementará a lógica de controle,
leitura dos sensores, atualização e validação das variáveis de saídas, rotinas automatizadas e de segurança. No sistema
escravo, serão condicionados os sinais de controle e de posicionamento (encoders) do manipulador. Todos os
equipamentos na parte superior serão energizados através de um alternador acoplado a um motor hidráulico. Ainda,
para fins de segurança, será utilizado um sistema de condicionamento da alimentação do alternador e baterias com
autonomia de poucas dezenas de minutos para permitir o recolhimento do braço quando de uma pane no sistema de
controle.
A grande razão para adotar a arquitetura supracitada foi a impossibilidade de enviar sinais de controle para as válvulas
dos motores hidráulicos do manipulador diretamente, assim como leitura dos sensores. Caso houvesse conexões
elétricas diretas entre a controladora (localizada na base do caminhão) e o manipulador, seria realizado um by-pass no
isolamento elétrico. A Figura 4ilustra a topologia do sistema de controle.
Figura 4 – Esquema de Controle
2.3. Projeto elétrico e de instrumentação
Diversos sensores foram incluídos no projeto visando a segurança da operação, com foco nos operadores, mas também
garantindo a segurança do local de operação, do próprio equipamentos e de demais pessoas que possam estar ao redor.
7/12
As normas NR-12 e ABNT NBR 16092 indicaram grande parte dos sensores utilizados, os quais estão descritos na
Tabela 1.
Tabela 1– Sensores utilizados
2.3.1. Isolamento Elétrico
A especificação dos materiais isolantes atendeu os requisitos da norma ABNT NBR 16092:2012, sendo que para a lança
superior do posicionador o dimensionamento contemplou as características especiais do braço superior para a categoria
C, 46 kV. Embora a norma não exija sistema de isolamento do chassi (isolação entre o chassi e braço superior) na
categoria C, optou-se por incluir esta isolação para propiciar isolação extra ao pessoal de solo em caso de contato
acidental de parte inferior ao isolamento principal com a rede de BT. O isolante utilizado (inserto) tem uma composição
reforçada mecanicamente, com teor mais alto de fibra de vidro que o convencional, dados os esforços máximos
esperados.
Os ensaios dielétricos nos isolantes dos dois braços foram satisfatórios, em CC e CA, de acordo com os critérios
normalizados. Além disso, ensaios mecânicos, realizados com monitoramento por emissão acústica, foram feitos nas
peças isolantes para avaliar pontos de estresse máximo, quando submetidas a carregamentos por flexão até a ruptura, o
que permitiu realimentar o projeto em termos técnico-econômicos.
Para permitir um monitoramento contínuo da corrente de fuga foi desenvolvido um sensor que emprega um shunt de 250
Ohm, 20 W, de modo a transferir a tensão resultante de baixas correntes de fuga, em 60 Hz, para uma entrada de ±5 V
da controladora localizada no painel inferior. O ganho, 250 mV/mA, é adequado para monitorar correntes de fuga de até
14 mA (4,95 Vpico), um valor bastante superior ao adotado como limite em ensaios laboratoriais e de campo para cestas
isoladas da categoria C (até 46 kV), de 10 uA/kV. O limite máximo de corrente de fuga, em campo, para contato
acidental, ou de teste, com o manipulador a uma linha energizada, é de 30 uA/kV, ou seja, de 240 uA para contato fase-
terra em rede de 13,8 kV e de 600 uA para contato fase-terra em rede de 34,5 kV. Para estes valores, sensor acusará 85
e 212 mV de pico, respectivamente.
Para o caso, bastante improvável na prática, de rompimento de um condutor de AT com subsequente queda sobre o
chassi, ou abaixo do Inserto, o shunt fica protegido por um centelhador, que opera com 1,2 ± 0,2 kV eficazes. Isto
garante que a ligação até a haste de aterramento não seja interrompida para fins de operação da proteção e das
providências de segurança normais da equipe.
O sensor é montado numa caixa com uma barra de cobre para fixação no chassi do caminhão e outra com conector
8/12
para fixar a cordoalha de aterramento, conforme Figura 5,onde o centelhador também é mostrado.
O isolamento das sapatas é indispensável para este tipo de monitoração, pois caso não fosse aplicado, acarretaria em
uma medição incorreta da corrente de fuga, com parte desta fluindo pelas sapatas, via medidor de corrente de fuga
(Figura 6).
Note que, mesmo com uma corrente de fuga nula, pequenas diferenças de potencial no solo entre as sapatas e o
eletrodo de terra são suficientes para forçar a circulação de correntes da ordem de miliamperes (correntes passantes)
pelo caminho eletrodo-medidor-chassis-sapatas. Este valor mascararia o valor real da corrente de fuga. As diferenças de
potencial entre dois pontos do solo são normais e aparecem pela injeção de correntes de fuga (ou de desequilíbrio, ou
induzidas eletromagneticamente) no aterramento normal dos postes próximos de MT e/ou BT (ou pela ferragem do
engastamento destes). A Figura 7apresenta a solução encontrada para empregar sapatas isolantes (em UHMW)
montadas junto das sapatas metálicas normais.
Para o caso, bastante improvável na prática, de rompimento de um condutor de AT com subsequente queda sobre o
chassi, ou abaixo do Inserto, o shunt fica protegido por um centelhador, que opera com 1,2 ± 0,2 kV eficazes. Isto
garante que a ligação até a haste de aterramento não seja interrompida para fins de operação da proteção e das
providências de segurança normais da equipe.
O sensor é montado numa caixa com uma barra de cobre para fixação no chassi do caminhão e outra com conector
para fixar a cordoalha de aterramento, conforme Figura 5 a,onde o centelhador também é mostrado.
Figura 5 – Sensor da corrente de fuga com sapatas isolantes – Desenho esquemático (a); Medição da Corrente de Fuga
sem isolamento elétrico das sapatas com o solo (b).
O isolamento das sapatas é indispensável para este tipo de monitoração, pois caso não fosse aplicado, acarretaria em
uma medição incorreta da corrente de fuga, com parte desta fluindo pelas sapatas, via medidor de corrente de fuga
(Figura 5 b).
Note que, mesmo com uma corrente de fuga nula, pequenas diferenças de potencial no solo entre as sapatas e o
eletrodo de terra são suficientes para forçar a circulação de correntes da ordem de miliamperes (correntes passantes)
pelo caminho eletrodo-medidor-chassis-sapatas. Este valor mascararia o valor real da corrente de fuga. As diferenças de
potencial entre dois pontos do solo são normais e aparecem pela injeção de correntes de fuga (ou de desequilíbrio, ou
induzidas eletromagneticamente) no aterramento normal dos postes próximos de MT e/ou BT (ou pela ferragem do
9/12
engastamento destes). A solução encontrada para isolar as sapatas foi a montagem de material em UHMW junto das
sapatas metálicas normais.
Além disso, foi também projetado um elemento isolante no acoplamento do manipulador com a ferramenta, para evitar
uma situação parecida, na qual a corrente de fuga fluiria através da árvore, caso o manipulador estivesse em contato
com um galho e muito próximo ou tocando na rede energizada. Essa situação resultaria inclusive em danos aos
equipamentos eletrônicos no manipulador.
2.4. Projeto mecânico
O projeto mecânico foi desenvolvido visando um sistema robusto, que permita uma fácil operação pelo operador com um
baixo nível de elasticidade nas juntas. Para garantir a robustez do sistema, foi realizada uma análise estrutural detalhada
do projeto, utilizando software específico para tal, avaliando alguns casos críticos ou posicionamentos que o sistema
pode estar.
A partir dessa análise, verificou-se a existência de alguns pontos com uma grande concentração de tensões na estrutura
e, com isso, permitiu-se o reprojeto destes pontos fracos, contribuindo para a robustez da solução final. Além disso,
algumas das outras soluções adotadas para segurança do sistema foram: i) estrutura para evitar acionamento acidental
das sapatas; ii) balancim para troca de ferramentas e alterações no projeto do triturador de galhos, que se encontra na
traseira do caminhão, visando evitar problema de ergonomia e consequentes acidentes de trabalho quando da troca da
ferramenta; iii) montagem de longarina suplementar para maior capacidade estrutural e evitar alterações no chassi do
caminhão.
2.5. Projeto hidráulico
O sistema hidráulico conta, conforme sugestões de normas, diversos pontos específicos para garantir a segurança da
operação, incluindo: i) bomba manual possibilitando o recolhimento do braço em casos de pane no caminhão; ii)
utilização de mangueiras e óleo com propriedades isolante no braço robótico; iii) utilização de válvulas de retenção dupla
ou contrabalanço em todos os eixos; iv) utilização de válvulas com possibilidade de acionamento manual para todos os
eixos do posicionador e dos motores de giro do manipulador para permitir recolhimento do braço quando de uma pane
elétrica; v) utilização de motores hidráulico com freio embutido.
2.6. Software de controle e rotinas de emergência
O software de controle do sistema possui rotinas de segurança, verificação dos sensores, atualização das saídas e a
lógica de controle principal. Com o valor da leitura dos sensores presentes no equipamento, tanto sensores analógicos
quanto digitais, as devidas medidas de segurança são tomadas de acordo com a situação. Para situações de baixo risco
ou de atenção, podem ser acionadas luzes amarelas das sinaleiras, um sinal sonoro de alerta e o braço robótico pode
ser bloqueado, até que as condições que ocasionaram o alarme voltem ao seu estado normal (valores dos sensores
dentro das condições padrão, por exemplo). Para situações de alto risco ou de emergência, aciona-se a luz vermelha
das sinaleiras, a sirene, e o braço robótico pode ser bloqueado. Para sair do estado de emergência as condições que
ocasionaram a situação devem voltar ao seu estado normal de funcionamento e o braço recolhido até o repouso (berço).
Sempre que algum tipo de alarme é acionado a descrição do ocorrido é apresentada no display do rádio controle.
Também é gerado um log de controle, armazenado em memória para possibilitar posterior análise.
A rotina de segurança é executada em paralelo às demais rotinas, para garantir que a resposta a eventos seja a mais
confiável possível. Toda a lógica de segurança, entrada e saída é implementada em FPGA (Field Programmable Gate
Array
10/12
, em português Arranjo de Portas Programável em Campo), tecnologia que permite alto grau de paralelismo ao
reconfigurar o hardware para os algoritmos específicos que serão executados, aumentando significativamente a
confiabilidade do desenvolvimento além de permitir que a rotina de segurança interfira diretamente na saída do sistema
em caso de falha na rotina principal. Além disso, vale citar que a controladora utilizada possui sistema operacional Linux
em tempo real, que facilita o desenvolvimento de aplicações determinísticas.
2.7. Protótipo em escala reduzida
Com o objetivo de fazer testes das rotinas de controle e análise avançadas da cinemática e controle, assim como
realizar o treinamento dos operadores, foi desenvolvido um modelo simplificado do equipamento robotizado em escala
reduzida. Este modelo possui a mesma cinemática do sistema robotizado que será acoplado ao caminhão, porém o
dimensionamento dos elos é ligeiramente distinto assim como o acionamento, que é elétrico no protótipo em escala
reduzida e será hidráulico no protótipo final. O protótipo é ilustrado na Figura 6.
Figura 6 – Protótipo em escala reduzida
O término previsto do projeto de P&D, incluindo sua montagem no caminhão e testes em campo, é em julho/2017.
3. Conclusões
Ao longo desse artigo foi brevemente apresentado os resultados parciais de projeto de P&D que visa a construção de
um robô teleoperado para realização de poda urbana próxima de linhas aéreas energizadas. O campo de aplicação do
robô mitigia implicitamente diversos riscos de segurança associados a diferentes áreas. Visando uma operação segura
tanto para o operador do robô quanto para transeuntes, as soluções adotadas foram apresentadas para que o sistema
alerte o operador de possíveis riscos e quando diante de um cenários adverso o operador possa encerrar a atividade em
segurança. A utilização do sistema apresentado aumenta de maneira significativa a segurança em relação a metodologia
de poda utilizada atualmente, pois além de as normas respeitadas por caminhões de linha viva terem sido aplicadas,
sensores adicionais, isolamento extra, bem como sinalização e rotinas automáticas foram consideradas. Além disso, é
prevista redução significativa dos custos operacionais da atividade.
O projeto de pesquisa se encontra em execução, sendo que já foi construído um protótipo em escala reduzida e se
encontra em finalização o detalhamento dos projetos construtivos. Após a construção e testes resultado dos aspectos de
segurança mencionados nesse artigo serão analisados e publicados.
Projetos futuros podem incrementar o grau de autonomia do robô, adicionando novas rotinas automáticas e diferentes
11/12
sensores para indicar regiões de corte, bem como possíveis colisões. Outra possível área a se explorar é a detecção de
riscos indiretos, como os associados aos danos provocados pela queda de galhos causada pelo corte, bem como de
transeuntes se aproximando demasiadamente do robô durante a operação.
4. Referências bibliográficas
CEMIG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS. Manual de Arborização. Belo Horizonte: Fundação
Biodiversitas.2011
COELBA - COMPANHIA DE ELETRICIDADE DO ESTADO DA BAHIA. SR01.19-00.001 - Poda de Árvore. Salvador.
2009a
FORTES, M. Z.; BARBOSA, M. V.; NACSIMENTO, R. C.; CARVALHO, J. T. DE; ALBUQUERQUE, C. J. M. Análise de
viabilidade técnico-econômica para erradicação de árvores sob linhas de distribuição. Revista Brasileira de Energia,
vol. 16, n. 24, pp. 93–106, 2010.
GUIKEMA, R. A.; DAVIDSON, R. A.; LIU, H. Statiscal Model of the Effects of Tree Trimming on Power System Outages.
IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 21, n. 3, pp. 1549-1557, 2006.
MAREK, C. F. Os impactos da arborização viária sobre a rede de distruibuição de energia elétrica: estudo de
caso da zona 7 de Maringá/PR. Maringá: Universidade Estadual de Maringá. 2008
RADMER, D. T.; KUNTAZ, D. T.; CHRISTIE, P. A.; VENKATA, S. S.; FLETCHER, R. H. Predicting vegetation-related
failure rates for overhead distribution feeders. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 17, n. 4, pp. 1170–1175,
2002.
SIEBERT, L. C.; BIANCHI FILHO, J. F.; CAREGNATO NETO, A. C.; BARANIUK, T. A. O.; GREBOGE, T.; WEIHMANN,
L.; SIMONI, R.; CERQUEIRA, D. P. Teleoperação de um sistema robotizado para poda de árvores na proximidade
de redes energizadas. XII Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente. 2015.
SIMPSON, P.; BOSSUYT, R.V. Tree-Caused Electric Outages. Journal of Aboriculture, vol. 22, n. 3, pp. 117–121,
1996.
TSAI, L.W. Mechanism Design: Enumeration of Kinematic Structures According to Function. Mechanical
Engineering series, CRC Press, Washington, D.C., 2001.
VELASCO, G. N. Arborização Viária X Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica: Avaliação dos Custos,
Estudo das Podas e Levantamento do Problemas Fitotécnicos. Dissertação de Mestrado, Escola Superior de
Agronomia, Universidade de São Paulo, Piracicaba, 2003.
_________________________________________
12/12