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PROJETO DE UM ROB ˆ OM ´ OVEL DE ADES ˜ AO MAGN ´ ETICA PARA INSPECIONAR TANQUES ESF ´ ERICOS DE GLP Rodrigo Val´ erio Espinoza * Andr´ e Schneider de Oliveira * Lucia Val´ eria Ramos de Arruda * Fl´ avio Neves Junior * * Laborat´orio de Automa¸ c˜ao e Sistemas de Controle Avan¸ cado UniversidadeTecnol´ogicaFederaldoParan´a Curitiba, Paran´a, Brasil Email: [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Abstract— This paper presents a climbing robot based in wheel locomotion and magnetic adherence, a distinct mechanical topology applicable to a wide range of industrial tasks. Its mechanical design particularity stands on four unaligned magnetic wheels disposed in two parallel sets, which provides a great advantage when passing over obstacles. The robot goal is to perform internal/external inspection in liquefied petroleum gas (LPG) storage spheres and other metallic surfaces. In these cases, a few severe operation features like adherence and force balance impose necessary restrictions to the robot. To satisfy these conditions, an active gravitational compensation model is developed. Traction controllers are applied to reach a smooth and precise handling in metallic surfaces work. Experimental tests are carried out verifying the mechanical topology accordance and performance characteristics. Keywords— Climbing robot, magnetic adhesion, gravitational active compensation, Intelligent control in robotics. Resumo— Este artigo apresenta um robˆo escalador baseado em locomo¸c˜ao por roda e aderˆ encia magn´ etica, uma topologia mecˆ anica diferenciada e aplic´avel ` a uma ampla gama de tarefas industriais. A particularidade deste projeto reside sobre suas quatro rodas magn´ eticas n˜ao alinhadas dispostas em dois conjuntos paralelos, o que proporciona uma grande vantagem ao passar por obst´ aculos. O objetivo do robˆo´ erealizarainspe¸c˜aointerna e externa em esferas de armazenamento de g´as liquefeito de petr´oleo e outras superf´ ıcies met´alicas. Nestes casos, algumas caracter´ ısticas severas de opera¸c˜ao, como aderˆ encia e equil´ ıbrio de for¸cas imp˜ oem algumas restri¸ c˜oesde opera¸c˜aoaorobˆo.Parasatisfazeressascondi¸c˜oes,´ e desenvolvido um modelo de compensa¸c˜ao gravitacional ativa. Controladores de tra¸c˜ ao s˜ao aplicados para a movimenta¸ c˜ao suave e precisa em superf´ ıcies de trabalho met´alicas, testes experimentais s˜ao realizados e a conformidade da topologia mecˆanica e caracter´ ısticas de desempenho s˜ao verificadas. Palavras-chave— Robˆ o escalador, Ades˜ao magn´ etica, Compensa¸c˜ao ativa da gravidade, Controle inteligente em rob´ otica. 1 Introdu¸c˜ ao Com o decorrer dos anos, esferas de armazena- mento de G´ as Liquefeito do Petr´ oleo (GLP), como a exibida na Figura (1), sofrem com o desgaste de sua estrutura met´ alica.Inspe¸c˜ oes de defeitos s˜ ao periodicamente realizadas com o intuito de preve- nir acidentes que podem ocasionar danos ambien- tais, humanos e perdas financeiras. Figura 1: Esfera de armazenamento de GLP. A inspe¸ ao em tanques de derivados de petr´ o- leo ´ e complexa devido ` a grande ´ area de inspe¸c˜ ao e altura da estrutura (aproximadamente 18m). A inspe¸c˜ ao da superf´ ıcie externa do tanque ´ e rea- lizada por um operador que desce a esfera e ao mesmo tempo escaneia as superf´ ıcie com sensores (geralmente ultrassˆ onicos). A superf´ ıcie interna, por ser cˆ oncava e impossibilitar instala¸ ao de es- truturas de apoio, oferece dificuldade maior para a tarefa de inspe¸c˜ ao. Neste caso, o m´ etodo utilizado basea-se no gradual preenchimento do tanque com ´ agua para que o operador navegue com um bote. Como um todo, a inspe¸ ao manual caracteriza-se por ser uma atividade insalubre, de custo elevado e que demanda longo per´ ıodo de execu¸c˜ ao. A ins- pe¸c˜ ao automatizada ´ e uma alternativa para otimi- zar o processo de inspe¸ ao de tanques, sendo que os robˆ os escaladores (RE) s˜ ao a principal tecnolo- gia que cumpre os requisitos da tarefa; precis˜ ao e repetibilidade. Inspe¸ ao rob´ otica autˆ onoma consiste em uma tarefa na qual um robˆ o navega de modo autˆ onomo por toda a superf´ ıcie que se deseja inspecionar. Durante o processo ´ e realizada a detec¸c˜ ao de in- consistˆ encias na estrutura por meio da an´ alise dos

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PROJETO DE UM ROBO MOVEL DE ADESAO MAGNETICA PARAINSPECIONAR TANQUES ESFERICOS DE GLP

Rodrigo Valerio Espinoza∗ Andre Schneider de Oliveira∗ Lucia Valeria Ramos deArruda∗ Flavio Neves Junior∗

∗Laboratorio de Automacao e Sistemas de Controle AvancadoUniversidade Tecnologica Federal do Parana

Curitiba, Parana, Brasil

Email: [email protected] [email protected] [email protected]

[email protected]

Abstract— This paper presents a climbing robot based in wheel locomotion and magnetic adherence, a distinctmechanical topology applicable to a wide range of industrial tasks. Its mechanical design particularity standson four unaligned magnetic wheels disposed in two parallel sets, which provides a great advantage when passingover obstacles. The robot goal is to perform internal/external inspection in liquefied petroleum gas (LPG)storage spheres and other metallic surfaces. In these cases, a few severe operation features like adherence andforce balance impose necessary restrictions to the robot. To satisfy these conditions, an active gravitationalcompensation model is developed. Traction controllers are applied to reach a smooth and precise handling inmetallic surfaces work. Experimental tests are carried out verifying the mechanical topology accordance andperformance characteristics.

Keywords— Climbing robot, magnetic adhesion, gravitational active compensation, Intelligent control inrobotics.

Resumo— Este artigo apresenta um robo escalador baseado em locomocao por roda e aderencia magnetica,uma topologia mecanica diferenciada e aplicavel a uma ampla gama de tarefas industriais. A particularidadedeste projeto reside sobre suas quatro rodas magneticas nao alinhadas dispostas em dois conjuntos paralelos, oque proporciona uma grande vantagem ao passar por obstaculos. O objetivo do robo e realizar a inspecao internae externa em esferas de armazenamento de gas liquefeito de petroleo e outras superfıcies metalicas. Nestes casos,algumas caracterısticas severas de operacao, como aderencia e equilıbrio de forcas impoem algumas restricoes deoperacao ao robo. Para satisfazer essas condicoes, e desenvolvido um modelo de compensacao gravitacional ativa.Controladores de tracao sao aplicados para a movimentacao suave e precisa em superfıcies de trabalho metalicas,testes experimentais sao realizados e a conformidade da topologia mecanica e caracterısticas de desempenho saoverificadas.

Palavras-chave— Robo escalador, Adesao magnetica, Compensacao ativa da gravidade, Controle inteligenteem robotica.

1 Introducao

Com o decorrer dos anos, esferas de armazena-mento de Gas Liquefeito do Petroleo (GLP), comoa exibida na Figura (1), sofrem com o desgaste desua estrutura metalica. Inspecoes de defeitos saoperiodicamente realizadas com o intuito de preve-nir acidentes que podem ocasionar danos ambien-tais, humanos e perdas financeiras.

Figura 1: Esfera de armazenamento de GLP.

A inspecao em tanques de derivados de petro-leo e complexa devido a grande area de inspecaoe altura da estrutura (aproximadamente 18m). Ainspecao da superfıcie externa do tanque e rea-lizada por um operador que desce a esfera e aomesmo tempo escaneia as superfıcie com sensores(geralmente ultrassonicos). A superfıcie interna,por ser concava e impossibilitar instalacao de es-truturas de apoio, oferece dificuldade maior para atarefa de inspecao. Neste caso, o metodo utilizadobasea-se no gradual preenchimento do tanque comagua para que o operador navegue com um bote.Como um todo, a inspecao manual caracteriza-sepor ser uma atividade insalubre, de custo elevadoe que demanda longo perıodo de execucao. A ins-pecao automatizada e uma alternativa para otimi-zar o processo de inspecao de tanques, sendo queos robos escaladores (RE) sao a principal tecnolo-gia que cumpre os requisitos da tarefa; precisao erepetibilidade.

Inspecao robotica autonoma consiste em umatarefa na qual um robo navega de modo autonomopor toda a superfıcie que se deseja inspecionar.Durante o processo e realizada a deteccao de in-consistencias na estrutura por meio da analise dos

dados adquiridos do sistema de inspecao.O RE e uma sistema robotico movel multi-

tarefa aplicavel a ambientes complexos. Sua ca-pacidade de executar um vasta gama de tarefasresulta uma grande diversisdade de topologias me-canicas (por exemplo, em Chu et al. (2010) e Ca-prari et al. (2012)). Esta combinacao dos sistemasde locomocao e adesao e de grande interesse, seuresultado gera caracterısticas especıficas e deter-mina o modo como a robo interage com o ambientede trabalho.

Uma abordagem classica para REs combinaa adesao magnetica com a locomocao por rodas,como em Fischer et al. (2011).

A caracterıstica inerente dos componentesmagneticos, tipicamente imas permanentes, ga-rante aderencia em tempo integral sem a neces-sidade de uma fonte de energia. Apesar deste tipode robo ser limitado a trabalhar exclusivamenteem superfıcies magneticas, ele pode ser aplicado adiversas atividades como inspecao e manutencaoem plantas energeticas, tanques de GLP e oleo,oleodutos e cascos de navios.

Este artigo apresenta um RE projetado parainspecionar superfıcies de tanques esfericos que ar-mazenam GLP. O trabalho esta organizado da se-guinte maneira. Secao (2) apresenta o conceito ecaracterısticas do robo. Secao (3) aborda a analisedo controlador de tracao. Secoes (4) e (5) discu-tem, respectivamente os resultados experimentaise conclusao.

2 Conceito do robo

2.1 Requisitos

De acordo com Chu et al. (2010), o projeto deum RE deve levar em consideracao tres aspectosprincipais:

• Peso: Quanto mais pesado for o robo, maiore seu consumo energetico.

• Mobilidade: Em algumas situacoes, o robodeve ser capaz de se mover por caminhos com-plexos e fazer manobras crıticas para realizara tarefa.

• Aderencia: A capacidade de escalar esta dire-tamente relacionada com o sistema de adesaoe sua flexibilidade de suportar fatores exter-nos como a variacao do efeito gravitacional.

2.2 Projeto do Robo

A estrutura mecanica do robo e exibida na Figura2, ela basicamente consiste de dois conjuntos pa-ralelos de rodas fixas (nao direcionaveis). Cadaconjunto e ligado por uma correia, logo, apesar deter quatro rodas, dois motores controlam o movi-mento; so existem dois graus de liberdade associa-dos aos atuadores. Visando o requisito de aderen-

cia e mobilidade, os conjuntos sao desalinhados,de modo que ao ultrapassar pequenos obstaculosapenas uma das rodas seja interferida por vez.

Figura 2: Estrutura mecanica do robo.

Cada roda consiste de um conjunto de doisimas de neodımio anelares axialmente polarizados(Fig. (3)), posicionados entre dois discos de acoe presos por parafusos de baixa permeabilidademagnetica, o conjunto e coberto por uma borrachade poliuretano de alta dureza.

Figura 3: Analise do campo magnetico da rodaem contato com superfıcie de ferro.

A Figura 4 exibe uma das rodas ja com a po-lia, sua forca magnetica e de aproximadamente440N. Mais detalhes sobre a construcao mecanicado robo podem ser encontrados em Rovani (2013).

2.3 Modelo Cinematico

A analise cinematica do robo e realizada assu-mindo um sistema de referencia global represen-

Figura 4: Roda magnetica com polia.

tado pelo sistema (XG, YG, ZG) como mostra a Fi-gura 5.

YG

XG

XR

YR

1

2

3

4

a

b

c

ab

c

δ1

δ2

l1

l2

δ1

δ2

l1

l2

Figura 5: Sistemas de referencia e numeracao dasrodas do robo.

O sistema de referencia do robo e representadopor (XR, YR, ZR), posicionado no centro do chassie rotacionado de θ do sistema global. A pose dorobo e representada no sistema global como

ξG = [ x y θ ]′. (1)

O modelo cinematico do robo pode ser obtido pormeio da uniao das restricoes cinematicas (de ro-lagem e de deslocamento lateral) de suas rodas.Para tanto e necessario descrever as rodas em re-lacao ao sistema do robo. A Tabela (1) reune ostres parametros que descrevem as rodas, eles utili-zam algumas medidas do robo exibidas na Fig.(5).Estes parametros sao expressos em termos de co-ordenadas polares, sendo l a distancia da roda aorigem O(XR, YR, ZR), α o angulo de rotacao emZR e β o angulo do plano da roda em relacao aochassi do robo.

Roda l α β1 l1 −δ1 π/2 + δ12 l2 −π + δ2 3π/2 − δ23 l2 δ2 π/2 − δ24 l1 π − δ1 −π/2 + δ1

Tabela 1: Parametros das rodas

A restricao de rolagem garante que toda ro-tacao da roda implica em deslocamento do robo(nao ha derrapagem), ou seja,

[Da Db Dc]R(θ)ξG − rϕ = 0, (2)

onde, r e o raio efetivo da roda, ϕ e a matrix 4×1de velocidades angulares das rodas [ϕ1 ϕ2 ϕ3 ϕ4]T

(ϕ1 = ϕ2 e ϕ3 = ϕ4) e Da

Db

Dc

=

sen(α+ β)−cos(α+ β)−lcos(β)

. (3)

A segunda restricao imposta e a de desliza-mento lateral, que estabelece que a roda nao podese deslocar no plano ortogonal ao seu, isto e,

[Ca Cb Cc]R(θ)ξG = 0, (4)

onde, CaCbCc

=

cos(α+ β)sen(α+ β)lsen(β)

. (5)

A uniao das restricoes de rolagem e deslizamentolateral (Equacoes 2 e 4) para todas as rodas resul-tam no arranjo cinematico,[

DC

]R(θ)ξG =

[JRϕZ

], (6)

onde D e C sao uma matrizes 4 × 3 contendo oscoeficientes das equacoes de restricao de rolageme deslocamento lateral, JR e uma matriz 4 × 4cuja diagonal relaciona os raios das rodas e Z umamatriz 4 × 1 de zeros.

Assim, define-se a cinematica diferencial in-versa do robo como,

ϕ = J−1ξG, (7)

onde,

J−1 =

[J−1R DC

]R(θ). (8)

Da Equacao (7) chega-se diretamente a equacaoda cinematica diferencial direta do robo,

ξG = Jϕ. (9)

A validacao do modelo cinematico e realizada coma aplicacao de uma trajetoria curva, impondo asjuntas um perfil de velocidade trapezoidal. O atu-ador responsavel pelo movimento das rodas 1 e 2possui velocidade superior ao que aciona as rodas3 e 4. A Figura 6 exibe a trajetoria, sendo a ori-gem da mesma o ponto (0,0).

0 100 200 300 400 500

0

50

100

150

200

250

300

350

Xglobal − Distância[cm]

Ygl

obal

− D

istâ

ncia

[cm

]

Figura 6: Trajetoria simulada.

2.4 Modelo Dinamico

O deslocamento no espaco tridimensional adicionacomplexidade ao sistema, pois neste caso o robodeve ser capaz de se mover em planos perpendicu-lares ao plano da terra. Em sistemas roboticos mo-veis, o efeito da forca gravitacional normalmentee negligenciado, pois os sistemas navegam apenasno plano perpendicular a gravidade. Entretanto, ainspecao de tanques requer movimento em todasorientacoes, logo a forca gravitacional nao podeser negligenciada porque sua influencia prejudicaa navegacao.

Figura 7: Forcas atuantes no deslocamento na su-perfıcie interna do tanque.

Em robos moveis os atuadores das rodas saoresponsaveis por gerar o torque do sistema de loco-mocao e devem ser capazes de mover o robo contraa forca de atrito (Fat) e a componente superficialda forca gravitacional (GX′), como apresentadona Figura (7).

A compensacao ativa da forca gravitacional(CAFG) usa as informacoes de aceleracao e ori-entacao do corpo rıgido, adquiridos do sistema denavegacao inercial (composto por acelerometros egiroscopios), para determinar a influencia gravita-cional real na direcao de giro dos atuadores. Os

torques dos atuadores (τ) compensam a influen-cia gravitacional adicionando no controlador detrajetoria uma porcao de torque proporcional ainfluencia gravitacional superficial, como,

τ(t+1) = ˇτ(t) +Kp(q)eν +Kd(q) ˙eν , (10)

Onde , ˇτ e o torque com compensacao gravi-tacional, Kp e o ganho proporcinal, e e o erro develocidade no espaco dos atuadores, Kd e o ganhoderivativo e ˙e e o erro de aceleracao no espaco dosatuadores.

O torque com a CAFG e determinado deacordo com a correlacao entre as medicoes de ace-leracao obtidas pelo acelerometro de 3 graus deliberdade (por meio da lei de movimento de new-ton) e pela orientacao espacial do corpo rıgido ob-tida pelo giroscopio,

ˇτ = ¯M(φ) ˙ν + ¯Vm(φ, φ)ν + ¯Ffric(ν) + ¯G(φ), (11)

onde, ¯M(φ) e a matriz de componentes reais de

inercia, ¯Vm(φ, φ) e a matriz com as componentes

reais centrıpeta e Coriolis, ¯Ffric(ν) e a compo-

nente real de friccao superficial, ¯G(φ) sao as com-ponentes reais da fusao dos sensores acelerome-tro/giroscopio, φ e a orientacao espacial do corporıgido obtida pelo giroscopio, φ e a velocidade an-gular mensurada do corpo rıgido, ˙ν e a aceleracaomedida pelos encoders das rodas e ν e a veloci-dade medida dos atuadores. Uma discussao maisaprofundada da analise dinamica e apresentadoem de Oliveira et al. (2012).

3 Controlador de tracao

O ajuste dos controladores dos atuadores do robonao e trivial, pois suas rodas, em contato com su-perfıcie metalica, apresentam uma forca de adesaomagnetica. A forca magnetica apresenta restricoesa forca de atrito e perturba o movimento do robo,principalmente quando o robo provem do repousoou tem grandes variacoes de velocidade. Assim,o controlador de tracao (posicao/velocidade tendoem vista a forca magnetica) e ajustado para o am-biente com superfıcies metalicas.

A inspecao impoe que o movimento do roboseja suave e preciso, pois o acoplamento do sensorde ultrassom com a superfıcie e realizado atravesde agua, por meio de uma luva de contencao. Per-turbacoes no movimento podem promover o desa-coplamento da luva de contencao e prejudicar ainspecao.

Um controlador de tracao e aplicado para con-trolar o movimento dos atuadores de acordo comestas restricoes. O requisito de movimentacao su-ave delimita que erros de velocidade sao mais da-nosos que erros de posicao. Nesse contexto, o con-trolador de velocidade foi ajustado para uma res-posta rapida e o controlador de posicao para uma

resposta suave. Ambos os controladores respeitamos limites fısicos dos atuadores.

A Figura (8) mostra o experimento realizadopara ajustar o controlador de tracao em uma su-perfıcie metalica (secao do tanque).

Figura 8: Ajuste do controlador de tracao na su-perfıcie metalica.

Na Figura (9) e possıvel observar que a res-posta do controlador de posicao apresenta peque-nos erros aceitaveis e resposta suave, evitando pi-cos de corrente indesejaveis.

0 500 1000 1500 20000

100

200

300

400

500

600

Tempo [ms]

Pos

ição

[pul

sos

do e

ncod

er] Desejado

Obtido

Figura 9: Resposta do controlador de posicao.

O controlador de velocidade apresenta errosiniciais devido a perturbacao da forca magneticae da forca de atrito. Entretanto, no momento queo movimento inicia (ou seja, exista velocidade) aresposta comeca a convergir para o desejado mi-nimizando a oscilacao, como visto na Figura (10).

4 Resultados Experimentais

O robo foi projetado para trabalhar em estruturasesfericas, contudo os ensaios iniciais foram realiza-dos em uma estrutura cilındrica, Figura (11), poisa mesma garante que aspectos de funcionalidadee performance do robo sejam analisados.

No primeiro teste, validou-se o conceito dorobo e o projeto das rodas, pois RE consegue se

0 500 1000 1500 20000

100

200

300

400

500

600

700

Tempo [ms]

Vel

oci

dad

e [r

pm

]

Desejado

Obtido

Figura 10: Resposta do controlador de velocidade.

Figura 11: Estrutura de testes cilındrica.

movimentar por toda estrutura e passar por pe-quenos obstaculos (deformacoes na superfıcie daestrutura) que perturbam a forca de adesao mag-netica das rodas.

O seguinte teste verificou a capacidade do REde carregar carga extra, um teste de versatilidade,pois quanto maior a carga extra admissıvel, maiora capacidade do robo de carregar equipamentosextras. A Figura (12) exibe o robo durante o teste.Verificou-se que ele pode carregar uma carga de12kg (mesmo que seu peso) respeitando as condi-coes cinematicas de nao derrapagem.

A Figura (13) exibe o perfil de velocidade dasrodas para a trajetoria de subida e descida do robona superfıcie interna do cilindro.

A trajetoria delimitada exige que a velocidadeangular do robo assemelhe-se ao perfil de veloci-dade das rodas. A Figura (14) exibe os dados ad-quiridos pelo giroscopio e, como esperado, e verifi-cada a similaridade. As pequenas variacoes ocor-rem devido imperfeicoes da superfıcie de teste.

Figura 12: Ensaio de carga realizado na superfıcieinterna do cilindro.

0 5 10 15 20 25 30−6000

−4000

−2000

0

2000

4000

6000

Tempo [s]

Vel

ocid

ade

Ang

ular

[rpm

]

Figura 13: Velocidade angular dos motores - en-coders.

0 5 10 15 20 25 30−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2x 10

4

Tempo [s]

Vel

ocid

ade

Ang

ular

[mili

grau

s/s]

AdquiridoFiltrado

Figura 14: Velocidade angular no espaco operaci-onal do robo - giroscopio.

5 Conclusoes

Este artigo apresentou o projeto de um RE de-senvolvido para inspecionar tanques de GLP. Oobjetivo deste trabalho foi desenvolver os modelos

cinematicos e dinamicos de modo a otimizar a ope-racao do robo em seu ambiente de trabalho. Ajus-tes do controlador de tracao foram realizados comsucesso, propiciando que o prototipo atendesse osrequesitos de trabalho no ambiente de testes. Osresultados dos testes mostraram que a topologiamecanica e o projeto das rodas atingiram seu ob-jetivo em performance com folga. A resposta develocidade do sistema foi precisa, sem acao danosada gravidade em seu perfil. Futuros trabalhos iraofocar as areas de arquitetura de controle do robo,comunicacao, navegacao e inspecao por ultrassom.

Agradecimentos

Este trabalho foi parcialmente financiado peloConselho Nacional de Desenvolvimento Cientıficoe Tecnologico (CNPq) e Coordenacao de Aperfei-coamento de Pessoal de Nıvel Superior (CAPES).

Referencias

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Chu, B., Jung, K., Han, C. and Hong, D.(2010). ”A survey of climbing robots: Loco-motion and adhesion”, International Journalof Precision Engineering and Manufacturing11: 633–647.

de Oliveira, A. S., de Arruda, L. V. R., Ju-nior, F. N., Espinoza, R. V. and ao Pe-dro Battistella Nadas, J. (2012). Adhesionforce control and active gravitational com-pensation for autonomous inspection in lpgstorage spheres., Robotics Symposium andLatin American Robotics Symposium (SBR-LARS), pp. 232–238.

Fischer, W., Caprari, G., Siegwart, R. and Moser,R. (2011). ”Locomotion system for a mobilerobot on magnetic wheels with both axial andcircumferential mobility and with only an 8-mm height for generator inspection with therotor still installed”, IEEE Transactions onIndustrial Electronics 58: 5296–5303.

Rovani, A. (2013). Desenvolvimento do proto-tipo de um robo para inspecao de cordoes desolda em superfıcies metalicas verticais, Tra-balho de Conclusao de Curso - EngenhariaIndustrial Mecanica - Universidade Tecnolo-gica Federal do Parana, Curitiba. p. 117.