TELEOPERAÇÃO DE UM SISTEMA ROBOTIZADO PARA PODA DE ÁRVORES ... · escala reduzida foi fabricado....

TELEOPERAÇÃO DE UM SISTEMA ROBOTIZADO PARA PODA DE ÁRVORES NA

PROXIMIDADE DE REDES ENERGIZADAS

LUCIANO C. SIEBERT1, JOSÉ F. BIANCHI FILHO1, ÂNGELO CAREGNATO NETO1, TUI A. O. BARANIUK1,

THIAGO GREBOGE1, LUCAS WEIHMANN2, ROBERTO SIMONI2, DAILTON P. CERQUEIRA3.

1. Institutos Lactec, Departamento de Eletricidade e Materiais

BR 116 - Km 98 - Nº 8813, Centro Politécnico da UFPR, Curitiba – PR.

E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],

[email protected].

2. UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville

E-mails: [email protected], [email protected].

3. COELBA – Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia, Unidade de Serviço de Rede da Região

Metropolitana

E-mails: [email protected].

Abstract The replacement of humans by autonomous or teleoperated robots is envisioned in several operational and maintenance

areas of the electricity sector, aiming to improve the safety of the process, the efficiency and effectiveness of the task. Tree pruning

is one of the most relevant tasks in the context of maintenance of overhead distribution networks. Thus, this paper presents a proposal for the teleoperation of a robot system for tree pruning in the vicinity of energized power lines. This paper will present a

control architecture for the robot that does not compromise the necessary electrical insulation. The operating modes of the robotic

system and the HMI (Human Machine Interface) that will be used in the teleoperation will as well be presented. Finally, a small-scale prototype of the robotic system is introduced.

Keywords Tree pruning, distribution network, safety, power system, telerobotics.

Resumo Vislumbra-se a substituição do fator humano por robôs autônomos ou teleoperados em diversas áreas da operação e manutenção de sistemas elétricos de potência, visando à melhoria na segurança do processo e também da eficiência e eficácia da

tarefa. A atividade de poda de árvores é uma das tarefas de maior relevância no contexto de manutenção de redes aéreas de distri-

buição. Assim, o presente trabalho apresenta uma proposta para a teleoperação de um sistema robotizado para poda de árvores na proximidade de redes energizadas. Será apresentada uma arquitetura que permitirá o controle dos eixos do robô sem comprometer

o isolamento elétrico necessário e também os modos de funcionamento do sistema robotizado e a IHM (Interface Homem-Máquina)

que será utilizada na teleoperação do sistema robotizado. Por fim, um protótipo em escala reduzida do sistema robotizado será apresentado.

Palavras-chave Poda de árvores, Redes de distribuição, Segurança, Sistema elétrico, Telerobótica.

1 Introdução

Tarefas de manutenção e inspeção da rede elétrica são

executadas com frequência por parte das distribuido-

ras de energia. Tais tarefas requerem, muitas vezes,

que o operador esteja em proximidade ou até em con-

tato com redes energizadas. Obviamente existem ris-

cos inerentes a esta tarefa para o trabalhador, como

choques elétricos e exposição a campos eletromagné-

ticos.

Dentro desse contexto vislumbra-se a possibili-

dade de utilização de sistemas robóticos no setor elé-

trico brasileiro, permitindo uma diminuição nos riscos

envolvidos e também permitindo a realização de tare-

fas com alto grau de precisão.

Todavia é importante ressaltar que as tarefas rea-

lizadas em campo, tais como a manutenção de redes

aéreas, possuem uma quantidade de variáveis e incer-

tezas associadas que muitas vezes inviabilizam a au-

tomação de uma tarefa através de robôs industriais,

tais como os utilizados na indústria automobilística.

Robôs industriais são utilizados para executar tarefas

repetitivas em ambientes controlados, com velocidade

e precisão, e são usualmente programados por especi-

alistas para produção em escala e em batelada (Sheri-

dan, 1992).

Vislumbra-se uma maior aplicação da telerobó-

tica no setor elétrico, devido a sua flexibilidade na

operação. Embora seja necessário que uma pessoa

permaneça constantemente em contato com o robô te-

leoperado para garantir que as ações ocorram como

esperado, ou, se não, revisar as instruções; a grande

vantagem dessa aplicação é permitir que o operador

não fique diretamente em contato com situações de

risco.

Diversas linhas de pesquisas estudam a substitui-

ção do fator humano por robôs autônomos ou teleope-

rados no setor elétrico, visando à melhoria na segu-

rança do processo e também da eficiência e eficácia da

tarefa. Podem-se destacar projetos teleoperados como

Aracil e Ferre (2007), Pouliot e Montambault (2012)

e Leal (2005) e também sistemas semi autônomos

como o Expliner (Debenest et al, 2008). A nível naci-

mailto:[email protected]








onal, o Robturb (Leal, 2005) foi um projeto desenvol-

vido pela UFPR, UFSC e Institutos Lactec para reali-

zar a manutenção corretiva de pás em turbinas hidráu-

licas geradoras de energia elétrica, ocasionadas por

cavitação. Ainda no cenário nacional Raposo et al

(2009) apresenta o desenvolvimento de um robô apli-

cado à limpeza de isoladores elétricos de redes de dis-

tribuição de energia.

Uma das tarefas de maior relevância no contexto

de manutenção de redes aéreas de distribuição é a re-

alização de poda de árvores, para evitar o contato dos

galhos com a rede (Radmer et al, 2002) (Guikema, Da-

vidsion e Liu, 2006) (Velasco, 2003). Atendendo a

essa demanda foi proposto o desenvolvimento de um

sistema robotizado no projeto de P&D “Novos equi-

pamentos e metodologia para realização de poda em

áreas urbanas” no âmbito da Agência Nacional de

Energia Elétrica (ANEEL) (PD-0047-0062/2012), fi-

nanciado pela Companhia de Eletricidade do Estado

da Bahia (COELBA) e executados pelos Institutos

Lactec e a empresa Ferramentas e Equipamentos Elé-

tricos Rio Grande do Sul (FEERGS). A finalidade do

sistema robotizado é a realização de podas de árvores

próximas a redes energizadas, em áreas urbanas, assim

como a trituração desses resíduos.

2 Sistema Robotizado

Para se chegar a concepção que será utilizada, aplicou-

se a metodologia de projeto apresentada por Tsai

(2001) que divide o processo de projeto de mecanis-

mos em três fases inter-relacionadas: projeto informa-

cional, projeto conceitual e projeto do produto. Assim,

foram levadas em consideração os requisitos funcio-

nais, técnicos e financeiros para a elaboração de dife-

rentes conceitos. Em seguida, o conceito com maior

potencial foi selecionado com ajuda de simulações

computacionais e, por fim, um primeiro protótipo em

escala reduzida foi fabricado. No que segue a concep-

ção final obtida por essa metodologia será detalhada.

O sistema robotizado é composto de dois braços

robóticos linearmente acoplados. O primeiro, denomi-

nado posicionador, tem como base o sistema de lanças

utilizado em caminhões de linha viva com cesto aéreo.

O espaço destinado para o operador então é “substitu-

ído” por um manipulador robótico, denominado Ma-

nipulador, acoplado linearmente ao primeiro. A Fi-

gura 1 apresenta o sistema robotizado, a Figura 2 o

Posicionador e a Figura 3 o Manipulador. Em suma o

Posicionador é constituído pela cadeia cinemática

RRPRP e o manipulador pela cadeia cinemática

RRPR, onde R representa uma junta rotativa e P uma

prismática.

O sistema será acionado hidraulicamente e possui

elementos isolantes para categoria C (46 kV) de forma

a respeitar as características de isolamento previstas

na normativa de cestos aéreos (ABNT, 2012).

Figura 1. Sistema robotizado para poda desenvolvido

Figura 2. Posicionador (RRPRP)

Figura 3. Manipulador (RRPR)

O robô será comandado remotamente por um ope-

rador devidamente treinado e seus efetuadores finais

são ferramentas adaptadas para a execução das tarefas

de poda: tesoura de poda ou podão (Figura 4.a) e serra

(Figura 4.b). O acoplamento é individual, ou seja, é

necessário escolher a ferramenta adequada de acordo

com a situação enfrentada, porém, é possível acoplar

uma garra ao podão para manuseio de galhos podados

Posicionador

Manipulador

P

P

R

R

R

R

R

R

P

Fixação

em situações críticas onde esses não possam cair dire-

tamente no chão (Figura 4.a). É importante ressaltar

que em situações usuais será possível utilizar o podão

sem o acoplamento da garra. A ferramenta serra é uma

adaptação de uma motosserra convencional e é utili-

zada para corte de galhos em um mesmo plano, ge-

rando ganhos de eficiência por poder realizar corte de

diversos galhos em uma única operação. Note que a

garra não tem utilidade no caso da serra por ser aco-

plada em paralelo, impedindo que a garra segure o ga-

lho enquanto o corte com a serra é realizado. Dessa

maneira limita-se o diâmetro máximo do galho que

pode ser segurado pela estrutura ao tamanho máximo

da abertura do podão, que é de 18cm. Caso fossem

permitidos galhos maiores a ferramenta fugiria do seu

objetivo que é a poda periódica, podendo comprome-

ter a estrutura mecânica do robô por segurar galho de

demasiado peso. O procedimento final de operação

orientará o operador a realizar corte de galhos de ma-

neira que o segmento cortado não ultrapasse 20cm de

comprimento, visando assim a segurança da operação.

(a)

(b)

Figura 4. Ferramentas (a) Podão com garra acoplada; (b) Serra.

Um dos principais benefícios do uso desse sis-

tema de poda robotizada é a eliminação de riscos ine-

rentes 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. A Figura 5 ilustra a realização

de uma poda na proximidade de rede energizada con-

forme procedimento usualmente adotado por conces-

sionárias de distribuição de energia no Brasil.

Figura 5. Tarefa de poda próxima à rede energizada

3 Telerobótica

A telerobótica é uma subárea da robótica que con-

grega dispositivos automatizados que possuem um ser

humano na sua malha de controle, variando o nível de

autonomia do dispositivo (ou o grau de interferência

do operador) de acordo com a tarefa a ser realizada.

Aplicações que sejam de difícil automatização (de-

vido a espaço de trabalho não estruturado), ou que re-

queiram que o operador seja inserido em um ambiente

hostil ou de difícil acesso, são das mais proeminentes

em telerobótica (Siciliano e Khatib, 2008).

Diferentes níveis de interação entre o operador e

o sistema robótico podem dar-se dependendo da apli-

cação. Assim sendo, podem-se delinear as seguintes

arquiteturas de controle, de forma a classificá-las de

acordo com o grau de autonomia do dispositivo robó-

tico (El-Osery e Prevost, 2015), a saber:

Controle direto;

Controle compartilhado;

Controle supervisório.

Nas aplicações onde nenhuma inteligência ou au-

tonomia está presente no sistema que controla o robô,

dizemos que este possui uma arquitetura de controle

direto. Isto significa que o operador transfere de forma

imediata, sem interferências sensórias, seus comandos

ao atuador final do robô através da interface.

Em contrapartida, a arquitetura de controle super-

visório permite ao operador acesso limitado à ferra-

menta e garante maior autonomia local ao sistema te-

lerobótico. Por exemplo, ao operador são delegadas

decisões de alto nível, como a realização de uma de-

terminada tarefa, e ao robô cabem decisões de baixo

nível, como executar uma determinada sequência de

passos a fim de realizar a tarefa definida pelo opera-

dor.

Em uma zona intermediária da definição de arqui-

teturas de controle, encontra-se a de controle compar-

tilhado. Esta se dá quando a execução de uma deter-

minada tarefa é realizada através da interação do con-

trole direto com informação dos sensores do meio. Ou

seja, sensores que ajudam a aperfeiçoar movimentos

solicitados pelo usuário.

A proposta de teleoperação que será apresentada

no presente trabalho é de controle direto, ao permitir

que o operador envie comandos diretamente para a

movimentação das juntas do sistema robotizado. To-

davia algumas funcionalidades que se enquadram no

conceito de arquitetura de controle compartilhado se-

rão implementadas, por exemplo, rotina de corte para

a serra, na qual o braço avançará automaticamente na

direção de corte da lâmina, movendo os eixos neces-

sários e retornando à posição que se encontrava, assim

como o desenvolvimento de um sistema de visão este-

reoscópica para estimar a distância da ferramenta de

poda em relação à rede energizada, permitindo um

feedback ao operador assim como a realização de

ações de segurança tais como a diminuição automática

da velocidade de movimentação ou mesmo o bloqueio

dos controles.

4 Proposta de Sistema para Teleoperação

Para o controle do conjunto foram definidos dois sis-

temas: mestre (controlador) e escravo (acumulador de

sinais). No primeiro, será embarcado todo o firmware

responsável pelo cálculo cinemático, rotinas automá-

ticas e sistemas de segurança. No sistema escravo,

será condicionado os sinais de controle e de feedback

do manipulador, assim como das câmeras.

A grande razão para adotar tal arquitetura foi a

impossibilidade de enviar sinais de controle para as

válvulas dos motores hidráulicos do manipulador di-

retamente. Caso houvesse conexões entre a controla-

dora (localizada na base do caminhão) e o manipula-

dor, seria realizado um bypass no isolamento elétrico.

A Figura 6 ilustra a topologia do sistema de controle,

onde setas tracejadas representam conexões hidráuli-

cas e setas não tracejadas representam sinais elétricos,

analógicos ou digitais.

Figura 6. Proposta de arquitetura para controle

Esta arquitetura permite o acionamento do mani-

pulador e, em conjunto com o condicionamento dos

sinais fornecidos através da utilização de fibra óptica,

garante-se o isolamento elétrico para 46kV. Estes si-

nais, condicionados pelo acumulador de sinais no tre-

cho isolado do robô, possibilitarão realizar o controle

das válvulas hidráulicas do manipulador próximo ao

acumulador e também a leitura do posicionamento

real, junta a junta, através de encoders.

Para atender o esquema de controle supracitado

foi selecionado o hardware do fabricante National Ins-

truments, devido às suas características de flexibili-

dade, rápida prototipagem e robustez. Para o controla-

dor será utilizado uma cRIO-9036, com módulos de

entrada e saída analógica e digital assim como módulo

CAN para comunicação com a Interface Homem-Má-

quina (IHM). O acumulador de sinais será um chassi

de expansão NI 9144 com módulos de entrada e saída

analógica, assim como um Hub para leitura das câme-

ras e demais sensores; e porta ethernet para transmis-

são dos sinais até o controlador através da fibra ótica.

Considerando que um dos principais requisitos do

sistema robotizado, após a segurança na operação, é

de que ele seja de fácil operação, não necessitando a

operação através de um especialista em robótica, op-

tou-se por permitir no posicionador e no manipulador

o controle junta a junta e que as duas partes sejam ope-

radas individualmente e não simultaneamente.

O posicionador será acionado com o intuito de

permitir o alcance do manipulador, que possui as fer-

ramentas de corte e manipulação em sua extremidade

e irá efetivamente realizar a poda das árvores.

O posicionador será muito menos acionado

quando comparado com o manipulador, e, portanto,

optou-se pelo acionamento junta a junta, facilitando

assim sua operação. Essa é feita de modo análogo ao

já realizado por equipes de poda das distribuidoras de

energia, dessa forma pretende-se evitar situações in-

desejadas quando da operação em modo cartesiano

tais como colisões com as redes de energia ou árvores

devido à dificuldade de visualização, por parte do ope-

rador, dos movimentos que o posicionador irá execu-

tar. Além disso, devido ao posicionador possuir cinco

graus de liberdade (três juntas rotativas e duas prismá-

ticas) o acionamento junta a junta evita as singularida-

des do robô.

A estrutura cinemática do manipulador foi defi-

nida como sendo RRPR, como mencionado anterior-

mente. Havendo visibilidade, o operador pode operar

o manipulador no modo junta a junta. No entanto,

como em determinadas situações isto não irá ocorrer,

o operador terá de fazer uso de imagens obtidas das

câmeras instaladas no manipulador, utilizando para

isso o modo cartesiano de movimentação (xyz), asso-

ciando um sistema de coordenadas cartesianos à ima-

gem apresentada na IHM. Uma imagem ilustrativa da

visão que se poderá obter com a câmera instalada se

encontra na Figura 7.

Figura 7. Simulação da visão da câmera para auxílio ao operador

A movimentação cartesiana pode ser obtida de

forma aproximada com os giros da primeira e segunda

junta (rotativas) do manipulador, que possuem eixos

perpendiculares entre si. Sem dúvida o movimento

destas juntas rotativas é angular não cartesiano. Mas,

visto que a distância entre os eixos destas duas primei-

ras juntas é pequena e considerando deslocamentos

não muito grandes da ferramenta, para efeitos práticos

pode-se considerar que o movimento que cada uma

destas juntas provoca na ferramenta ocorre em dire-

ções cartesianas perpendiculares.

Esta simplificação será utilizada também na es-

tratégia de corte com a ferramenta serra. Nesse modo

de operação somente será possível a movimentação do

manipulador no eixo cartesiano da direção do corte da

serra, que será apresentada na imagem da câmera.

Essa estratégia de corte visa facilitar a realização do

Acima do Trecho IsoladoAbaixo do trecho isolado

Válvulas Hidráulicas

Fibra ÓpticaConversor

Fibra / EthernetConversor

Fibra / Ethernet

IHM• Controles• Segurança• Feedback visual

Controle Posicionador

Controlador

• Rotinas• Segurança• Protocolos• Controle

Acumulador de Sinais

• Sensores• Câmeras• Protocolos• Acionamentos

Gerador Isolado

Atuadores do Posicionador

Unidade Hidráulica

Válvulas Hidráulicas

Atuadores do Manipulador

corte através da serra permitindo o isolamento do mo-

vimento necessário.

4.1 Interface Homem-Máquina (IHM)

Será empregado um sistema de rádio controle indus-

trial para envio de comandos ao robô, composto por

uma unidade transmissora e outra receptora que se co-

municam via protocolo CAN. Este sistema deve ser

capaz de acionar remotamente o posicionador, mani-

pulador e ferramentas de corte.

A proposta inicial de layout do controle, apresen-

tada na Figura 8, engloba a utilização de cinco joysti-

cks em linha (alavancas proporcionais, eixo único),

um joystick em cruz (alavancas proporcionais, três ei-

xos), duas chaves rotativas, três chaves seletoras e bo-

tões de segurança.

A chave rotativa de velocidade é utilizada para se-

lecionar em qual dos limites de velocidade pré-estabe-

lecidos se deseja operar o braço robótico.

Foram definidos três modos de operação (seleci-

onáveis pela segunda chave rotativa): Posicionador,

Manipulador e Serra. A movimentação pode ser reali-

zada eixo a eixo (manipulador e posicionador), modo

cartesiano em relação à visualização da câmera (ma-

nipulador em modo câmera) ou modo serra.

Figura 8. Layout da Interface Homem-Máquina (IHM)

Os desenhos próximos aos joysticks representam

os respectivos eixos a serem movidos no modo posi-

cionador/manipulador durante a movimentação eixo a

eixo. O último joystick em linha (da esquerda para a

direita) e a rotação do joystick em cruz compartilham

a mesma função nos modos câmera e eixo a eixo do

manipulador: acionamento da junta prismática do ma-

nipulador e rotação do atuador final, respectivamente.

O joystick em formato de cruz é utilizado especi-

almente durante a operação em modo câmera do ma-

nipulador, movimentando o atuador final de acordo

com as imagens obtidas pelas câmeras acopladas ao

braço robótico.

Botões de segurança estarão presentes nas laterais

do controle. Para que qualquer comando seja validado

e executado, as seguintes precauções devem ser toma-

das: i) a chave rotativa do modo de operação deve es-

tar na posição correta; ii) o respectivo botão de segu-

rança (“homem-morto”) deve ser mantido pressio-

nado em um dos lados do controle.

Para que qualquer eixo do posicionador se mova

a chave rotativa modo de operação deve estar na posi-

ção Posicionador assim como o botão de segurança do

posicionador deve estar pressionado no momento do

acionamento de uma alavanca. O processo é seme-

lhante para o acionamento do manipulador, tanto no

modo câmera quanto no eixo a eixo.

Para acionar o podão ou a garra, o modo de ope-

ração manipulador precisa estar selecionado e um dos

botões de segurança de ferramenta deve ser mantido

pressionado.

No modo serra, o primeiro joystick em linha é

empregado para subir ou descer a serra, conforme a

orientação da ferramenta (último eixo rotativo do ma-

nipulador). Qualquer movimentação e ligamento da

serra só ocorrerão se o modo serra estiver selecionado

e o botão de segurança de ferramenta for mantido

pressionado durante a operação.

4.2 Segurança

No quesito segurança estão previstas diversas caracte-

rísticas visando a operação do sistema de poda roboti-

zada, tais como:

Botão de parada de emergência monito-

rado pelo FPGA do controlador, possibi-

litando parada praticamente instantânea;

Utilização de FPGA para leitura e con-

trole de variáveis críticas do robô;

Possibilidade de alimentação do sistema

hidráulico através de motor estacionário

ou tomada de força do caminhão. Em

caso de falha de ambos ainda é possível

utilização de bomba hidráulica manual;

Inclusão de válvulas manuais em todas

as juntas do posicionador e juntas críti-

cas do manipulador para permitir o reco-

lhimento dos braços em caso de pane

elétrica;

Utilização de motores e pistões hidráuli-

cos com freios embutidos para evitar

movimentação indesejada dos eixos.

5 Protótipo em Escala Reduzida

Com o objetivo de permitir estudos avançados das

funcionalidades do projeto do sistema robotizado, fa-

cilitar o desenvolvimento dos algoritmos de controle

assim como realizar o treinamento dos operadores, foi

desenvolvido um modelo simplificado em escala re-

duzida. Este modelo possui a mesma cinemática do

sistema robotizado que será acoplado no caminhão,

porém o dimensionamento dos elos é ligeiramente dis-

tinto assim como o acionamento, que é elétrico no pro-

tótipo em escala reduzida e será hidráulico no protó-

tipo final.

Para as juntas rotativas, o sistema terá o aciona-

mento de motores de passo com reduções e as juntas

prismáticas serão acionadas com um conjunto de mo-

tor de passo, fuso e castanha. Para a ferramenta de

corte (podão) foi projetada uma garra acionada por

servo motor. Todo o sistema tem seus sinais condici-

onados por um micro controlador Arduino.

O software de controle aplicado no modelo em es-

cala reduzida será bastante similar ao do sistema em

escala real que será construído. Serão necessários al-

guns ajustes para integração dos sistemas, porém to-

das as funcionalidades serão idênticas. A Figura 9

apresenta os segmentos que representam o modelo em

escala real.

Figura 9. Protótipo em escala reduzida

6 Conclusões

Nesse artigo foi apresentada uma proposta de teleope-

ração de um sistema robotizado para a realização de

poda na proximidade de redes energizadas. Foram dis-

cutidos os principais requisitos e diretrizes para a ela-

boração dessa proposta, assim como foram detalhados

alguns aspectos do layout da IHM, a arquitetura de

controle e os modos de funcionamento.

O projeto de P&D que resultou nos desenvolvi-

mento mencionado contemplará ainda a construção

efetiva do protótipo do sistema robotizado que será

montado em um caminhão, assim como serão realiza-

dos diversos testes em laboratório em campo junto à

equipe técnica da COELBA.

Como desenvolvimento futuros e desdobramento

desse projeto vislumbra-se um aumento da autonomia

do sistema teleoperado, possibilitando a aplicação de

uma arquitetura de controle compartilhado ou mesmo

controle supervisório, através do tratamento das ima-

gens das câmeras e inferência automática das áreas

para poda de árvores.

Agradecimentos

Os autores agradecem o suporte financeiro da conces-

sionária COELBA através do programa de P&D da

ANEEL.

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