A Pneumatic Robotic System for Inspection of Underground Electrical Conduit

A. F. Núñez, F. F. Veiga, M. M. Gonçalves, E. S. D. Estrada, S. S. C. Botelho

Centro de Ciências Computacionais Universidade Federal do Rio Grande (FURG)

Rio Grande – RS, Brasil afnunez@furg.br, lipe_veiga@hotmail.com,

m6oncalves@gmail.com, emanuelestrada@furg.br, silviacb@furg.br

F. P. Teixeira, A. C. Horn Escola de Engenharia

Universidade Federal do Rio Grande (FURG) Rio Grande – RS, Brasil

floricio@ymail.com, alexandrehorn@furg.br

Abstract — This paper presents the design of a pneumatic

robotic system to support the inspection of conduits according to the Electric Energy Company of the State of Rio Grande do Sul standard. Throughout the text is given an emphasis on mechanical solution developed, based on the movement of a caterpillar. Moreover, the pneumatic actuators are specified, the onboard electronics and thermal sensor used in the project. Results of the mechanical design and acquisition of images of the thermal camera are presented.

Keywords — conduits; predictive inspection; pneumatic robot.

Resumo — Este trabalho apresenta o projeto de um sistema robótico pneumático para dar suporte à inspeção de eletrodutos no padrão da Companhia Estadual de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul. Ao longo do texto é dado um destaque para a solução mecânica desenvolvida, baseada no movimento de uma lagarta. Além disso, são especificados os atuadores pneumáticos, a eletrônica embarcada e o sensor térmico empregados no projeto. Resultados do projeto mecânico e da aquisição de imagens da câmera térmica são apresentados.

Palavras-chave – eletrodutos; inspeção preditiva; robô pneumático.

I. INTRODUÇÃO A energia elétrica está inserida de tamanha grandeza no

cotidiano, da iluminação residencial até processos industriais, de forma que ela é lembrada somente quando seu fornecimento é interrompido. Porém para que esta energia chegue até seus usuários, independente de quem sejam, ela primeiro é gerada em uma usina (hidrélétrica, termoelétrica, nuclear, etc), passando por transformadores para elevar sua tensão, ocasionando então, redução da perda de energia durante sua transmissão até as subestações, onde novamente passa por transformadores, os quais neste caso rebaixam a tensão de maneira a qual possa ser utilizada da forma mais adequada à cada tipo de consumidor.

Em todas as escalas de fornecimento de energia os equipamentos acabam por sofrer deterioração causada principalmente por envelhecimento e sobrecarga da rede,

acarretando a necessidade de manutenção. As manutenções se caracterizam em três tipos: i) corretiva/emergencial: feita quando ocorre a falha; ii) preventiva: periodicamente é feita uma substituição dos equipamentos, independente do seu estado; iii) preditiva: a manutenção passa por uma avaliação do real estado do equipamento. Quando é realizada apenas a manutenção corretiva os custos diretos e indiretos acabam aumentando principalmente por usar uma equipe de emergência, muitas vezes terceirizada, e devido as multas aplicadas pelos órgão reguladores do setor de energia. No caso da manutenção preventiva pode ocorrer a troca precoce de equipamentos que se encontram em condições de funcionamento. A fim de minimizar os custos causados quando empregada a manutenção emergencial ou preventiva, a manutenção preditiva procura fazer uma avaliação das condições reais do equipamento, através da aquisição de informações in loco, e assim empregar técnicas para estimar a vida útil do equipamento inspecionado [1], [2].

Na literatura, há diversos trabalhos sobre sistemas robóticos para atuar em ambientes que utilizam dutos. Uma solução muito empregada são robôs baseados em rodas ou esteiras. Em [3]-[9] são apresentados trabalhos onde robôs são capazes de se deslocar no interior de dutos com paredes lisas. Alguns destes são capazes de fazer curvas quando necessário. Robôs baseados no movimento de lagartas são apresentados em [10]-[15]. Nestes há diversas propostas de robôs para deslocamento no interior de dutos com paredes lisas, usando atuação pneumática e elétrica. Enquanto uns se destacam por atuar em dutos retos, outros conseguem fazer curvas e deslocarem-se verticalmente.

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um

sistema robótico de acionamento pneumático para dar suporte a manutenção preditiva de eletrodutos subterrâneos no padrão adotado pela Companhia Estadual de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul (CEEE). Tal padrão é caracterizado por um duto de diâmetro de 15cm com três cabos em seu interior em diferentes conformações. Cada cabo pode ter, no pior caso, até

2013 Symposium on Computing and Automation for Offshore Shipbuilding

978-0-7695-5123-4/13 $26.00 © 2013 IEEE

DOI 10.1109/NAVCOMP.2013.17

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5cm de diâmetro. Além disso, há situações onde o duto pode estar parcialmente ou completamente preenchido com água. Uma característica do padrão CEEE, que torna o projeto diferente dos encontrados na literatura, é o uso de dutos com paredes corrugadas, ou seja, com ondulações em um padrão helicoidal. Além disso, o robô precisa de dimensões reduzidas, devido à pequena área disponível para deslocamento, e lidar com as diferentes conformações dos cabos no interior do duto.

O trabalho foi estruturado tendo na próxima seção uma

descrição detalhada do ambiente de inspeção e da solução mecânica desenvolvida. Na seção III é apresentada a eletrônica embarcada responsável pela atuação e captura de informações do ambiente. Resultados iniciais são apresentados na seção IV. Por fim, na seção V são feitas considerações finais e apresentados trabalhos futuros.

II. AMBIENTE E ESTRUTURA MECÂNICA O projeto mecânico apresentado neste trabalho foi

desenvolvido para o padrão de redes de distribuição subterrânea da Companhia Estadual de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul (CEEE). Antes de apresentar a solução robótica é importante descrever o ambiente de inspeção.

A. Ambiente de Inspeção As redes de distribuição subterrânea da CEEE seguem um

padrão próprio da empresa. Neste caso, sendo formadas por eletrodutos imersos no solo com locais de acessos intervalados aproximadamente a cada 50m. A Fig. 1 apresenta uma foto de um ponto acesso a rede subterrânea.

Fig 1. Ponto de acesso à rede subterrânea.

Os dutos são feitos de polímero com a parede possuindo um padrão corrugado sendo o diâmetro interno máximo de aproximadamente 15 cm. No interior dos dutos passam três cabos que podem ter até 5 cm de diâmetro. Estes cabos tendem a ficar acomodados na parte inferior do duto podendo em alguns casos ocorrer cruzamentos e torções entre eles. A Fig. 2 demonstra um típico duto com cabos em seu interior. Em épocas de grande volume de chuvas os dutos podem estar parcialmente ou completamente preenchidos com água.

B. Estrutura Mecânica O sistema de movimentação do robô é feito de uma forma bem específica para adaptar-se a geometria do duto (corrugada), que impossibilita a locomoção feita por rodas, que podem em determinado momento não estarem em contato com a superfície do duto devido aos sulcos no mesmo, não conseguindo assim exercer tração suficiente para deslocar seu próprio peso e do seu cabo de aço de segurança. A solução encontrada foi a utilização de garras, braços que se fixam nas ranhuras internas dos dutos.

A estrutura mecânica é composta por um par de garras na parte traseira e outro par na parte dianteira, estas presas a atuadores pneumáticos, com curso de 15 mm, responsáveis apenas pela abertura e fechamento das garras. Acoplados nestes atuadores estão outros atuadores pneumáticos, responsáveis por comprimir e esticar a base da estrutura, com curso de 40 mm. Este atuadores estão fixados a base da estrutura por chumaceiras, permitindo as garras dianteira e traseira a capacidade de inclinarem-se até 28° em relação à base. Isto permite à estrutura fazer pequenas curvas, se necessário.

Fig. 2. Interior de um duto no padrão CEEE.

A base da estrutura possui um formato cilíndrico onde deve ser abrigado a eletrônica responsável pelo acionamento dos atuadores e comunicação com uma estação base. Na fabricação da base da estrutura foi escolhido para sua parte inferior alumínio, devido a sua resistência mecânica e baixa massa. Já para a parte superior foi escolhido acrílico por possuir uma boa resistência mecânica e possibilitaa ver os componentes dentro da base. Para proteger a eletrônica embarcada utulizou-se entre as duas parte que formam a base um material emborachado. Conectados a parte inferior da estrutura estão posicionados pequenos roletes feitos em Nylon para redução do atrito com os cabos no interior do duto, permitindo um melhor deslocamento. A sistemática de deslocamento é composta por seis etapas:

1. O atuador das garras traseiras é acionado para seu fim de curso de modo a abri-las. As garras irão se fixar nas ranhuras do eletroduto.

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2. O atuador das garras dianteiras é acionado para o início de seu curso de modo a fechar as garras.

3. Os atuadores presos à base são acionados para seu fim de curso, fazendo com que a estrutura alongue-se e execute o primeiro passo de deslocamento.

4. O atuador das garras dianteiras é acionado para seu fim de curso de modo a abri-las, fixando-as nas ranhuras do eletroduto.

5. O atuador das garras traseiras é acionado para o início de seu curso de modo a fechá-las.

6. Os atuadores ligados à base são acionados para o início de seus cursos, fazendo com que se encolha e complete um passo de deslocamento.

Os passos de deslocamento repetem-se em um ciclo contínuo e podem ser invertidos, do último para o primeiro, de acordo com o sentido de movimento desejado.

Para facilitar o deslocamento do robô ele foi construído visando obter-se o menor peso possível, sendo quase toda sua estrutura feita de alumínio. Porém mesmo que os movimentos realizados pelo robô sejam simples, existem alguns componentes mecânicos sujeitos a grandes esforços: como o pino de movimentação das garras, que está sujeito a cargas cíclicas e desgastes devido ao atrito com seu suporte. Devido a estas peculiaridades foi escolhido aço 1045 temperado para a fabricação da peça, garantindo assim maior dureza e resistência ao desgaste. Outros componentes construídos em aço 1045 são as garras de movimentação, que são sujeitas a esforços de flexão, assim sendo inviável sua construção em alumínio.

III. ATUAÇÃO E PERCEPÇÃO

O sistema eletrônico projetado para ser embarcado na estrutura mecânica foi desenvolvido para possibilitar a atuação do robô no ambiente de forma controlada e segura. Para isso, foram adicionados sensores que permitem conhecer a situação do local a ser inspecionado e atuadores que permitam um deslocamento da forma mais eficiente possível dentro eletrodutos.

Para gerenciar os dispositoves de atuação e realizar comunicação foi usada uma unidade Arduino, uma plataforma “Open Source Hardware”, mundialmente conhecida, que utiliza um microcontrolador Atmel AVR em uma única placa, com suporte de entrada/saída embutido e uma linguagem de programação padrão. O circuito elétrico desenvolvido possui baixo custo, fácil implementação e flexibilidade suficiente para a inclusão de outros sensores, caso necessário em aplicações específicas. A plataforma Arduino permite que outras placas, conhecidas como shields, sejam acopladas sobre ela para estender suas funcionalidades. Dessa forma, foi projetada uma placa que integra o circuito de acionamento dos atuadores, captação dos sensores e comunicação através do padrão serial RS485, para ser acoplada ao Arduino. Dentre os vários modelos de Arduino disponíveis no mercado, optou-se neste projeto pela utilização do modelo Arduino Nano, devido ao seu tamanho reduzido, uma restrição de projeto. Este

modelo conta com as principais funcionalidades disponíveis nestes módulos e atende todas as necessidades do robô.

A. Câmera Térmica

Cabos e fios condutores sofrem deterioração por inúmeros motivos, um exemplo é o simples contato com o ambiente em que ele está inserido, sendo afetado principalmente pela temperatura

O robô conta com a presença de uma câmera de visão infravermelha. Este tipo de câmera, também conhecido como câmera térmica, é capaz de perceber imagens no espectro infravermelhro e convertê-las para o espectro visível, permitindo assim que os seres humanos sejam capazes de observar a temperatura dos objetos. Esta característica confere às câmeras térmicas a funcionalidade de visão noturna, sendo empregadas em locais e aplicações onde não há fonte de iluminação, como os eletrodutos para os quais o robô foi projetado. Dessa forma, dentre os vários modelos de câmera disponíveis no mercado, a câmera térmica Miricle da Thermoteknix foi adquirida. A escolha deste modelo se deu principalmente devido ao tamanho reduzido do módulo, o qual possui dimensões compatíveis com o diâmetro do robô. A câmera pode ser observada em detalhe na Fig. 3.

Fig. 3. Câmera térmica Miricle 307K

B. Atuadores Pneumáticos

A estrutura robótica conta com quatro atuadores pneumáticos, como descrito anteriormente. Este tipo de dispositivo possui ativação bem simples a partir de microcontroladores, porém, ainda assim, é necessário uma etapa de potência para a ativação e para a proteção do circuito do controlador. Um circuito de drive pode ser empregado neste caso, o qual é capaz de fornecer uma maior corrente para os atuadores pneumáticos. Um shield para ser acoplado ao Arduino Nano, extendendo suas funcionalidades e permitindo o controle dos atuadores, foi desenvolvido. Os atuadores ainda precisam de uma alimentação de ar. Esta é suprida por mangueiras especiais conectadas a uma fonte de ar comprimido.

O controle da velocidade dos movimentos se dá levando-se em consideração o tempo mínimo de resposta dos atuadores, sendo que de acordo com a velocidade desejada, o intervalo entre cada passo de movimento citado na seção anterior varia.

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Quanto menor o tempo de espera entre cada movimento, maior será a velocidade de deslocamento do robô. Quanto maior o tempo de espera, menor a velocidade. O controle utilizado é um controle do tipo ON-OFF.

C. Comunicação

O fluxo de informações e o controle do robô se dão através das portas de comunicação serial presentes no Arduino Nano. Porém, estas portas fornecem a possibilidade receber e transmitir dados seriais TTL, que possui uma baixa distância de alcance dos sinais, necessitando que haja uma conversão para o padrão RS485, que é capaz de garantir a comunicação em distâncias de até 1200 metros.

Além disso, foi criado um protocolo de comunicação o qual contém a velocidade padrão de deslocamento, assim como a direção do movimento. Outros comandos podem ser inseridos como por exemplo a ativação/desativação de outros sensores e atuadores.

D. Cabo de Controle e Alimentação

A fonte de alimentação do robô é externa e a tensão necessária para ativar o microcontrolador, bem como os sensores e atuadores embarcados, é passada através de um cabo umbilical. Este cabo é formado por um cabo de aço para sustentação, cabos de alimentação, cabos para comunicação serial e pelo próprio cabo pneumático que fornece o ar pressurizado necessário para a ativação dos atuadores.

IV. RESULTADOS

A. Projeto Mecânico Inicialmente, apresenta-se as garras localizadas nas duas

extremidades da estrutura mecânica. Na Fig. 4 tem-se o detalhe dos componentes de uma garra: duas hastes conectadas a um atuador pneumático. Destaca-se que cada haste tem a extremidade arredondada para permitir um melhor ajuste à parede corrugada do duto. Ainda na Fig. 4 é apresentado o movimento básico da garra onde em (a) ela está completamente aberta (comprimindo a parede do duto) e em (b) ela está completamente fechada (permitindo a atuação da base da estrutura).

Fig. 4: Garra aberta (a) e fechada (b).

O movimento que permite a base alongar-se e encolher-se é destacada na Fig. 5. Nesta são apresentados dois intantes, o primeiro em (a) onde a base está encolhida e o segundo em (b) onde a base está alongada. Está conexão ainda possui um jogo angular, permitindo a realização de pequenas curvas.

Fig. 5. Atuador da base recolhido (a) e alongado (b).

Na Fig. 6, tem-se um detalhamento do roletes que auxiliam

o deslocamento do robô. Estes localizam-se na parte inferior da estrutura, mantendo-se em contato com os cabos no interior

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do duto. Desta forma, quando a estrutura é arrastada ocorre um menor atrito com os cabos.

Fig. 6. Detalhe do rolete

Apresentados os elementos básicos, a Fig. 7 exibe a

estrutura mecânica completa. Nesta vista superior, pode-se observar a composição geral da estrutura com um destaque para a base cilíndrica responsável por alojar a eletrônica necessária para o funciomento do sistema robótico. Na figura também é possível visualizar como as garras prendem-se às paredes do duto.

Fig. 7. Robô completo no interior do duto.

B. Deslocamento Conforme o detalhamento das etapas de deslocamento,

explicado na seção II, a Fig. 8 exemplifica como o sistema robótico é acionado para andar no interior do duto. Em (a) a primeira e segunda etapas são demonstradas, onde ocorre o fechamento da garra dianteira e a abertura da garra traseira. O alongamento da estrutura, a terceira etapa, é apresentado em (b). Já em (c) e (d), são demonstradas a quarta e a quinta etapa, respectivamente, responsáveis pela abertura da garra dianteira e o fechamento da garra traseira. O passo de deslocamento é finalizado quando ocorre o encurtamento da estrura, exibido em (e).

Fig. 8. Etapas do deslocamento.

C. Aquisição de dados Devido a grande maioria das falhas ter seu inicío na

sobrecarga da rede elétrica, acarretando em aquecimento dos cabos, nesta primeira versão do projeto decidiu-se usar uma câmera térmica infravermelha. Esta, além de fornecer informações de temperatura, também permite obterem-se informações sobre falhas mecânicas.

A câmera foi posicionada na extremidade frontal do robô, conforme demonstrado na Fig. 9. Este posicionamento é fundametal para evitar que o robô entre em uma situação de risco, como um ponto de grande calor ou região alagada.

Fig. 9: Posicionamento da câmera térmica.

Uma amostra do tipo de imagem que a câmera captura é

apresentado na Fig. 10. Esta imagem foi ajustada de forma que as cores mais claras representam os pontos de mais alta temperatura e as cores mais escuras os pontos de mais baixa temperatura. É possível observar na imagem que a região que apresenta as maiores temperaturas é a área onde se situa o dissipador de calor do notebook, enquanto a área da bancada, onde o computador está posicionado, apresenta as temperaturas mais baixas e, portanto, cores mais escuras.

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Fig. 10: Imagem obtida com a câmera térmica.

V. CONCLUSÃO Neste tabalho foi apresentado o projeto de um sistema

robótico de atuação pneumática desenvolvido para inspecionar dutos subterrâneos de energia no padrão da Companhia Estadual de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul (CEEE). No trabalho foi mais detalhado o projeto mecânico da estrutura, pois esta é fundamental para atuar em um ambiente onde há pouco espaço para se deslocar e encontram-se dutos com um padrão de parede diferente do empregado na maioria das estruturas que fazem uso de dutos.

A proposta de como se dará o deslocamento da estrutura foi exemplificada, onde baseou-se no movimento do tipo lagarta. A obtenção de informações do ambiente foi baseada em somente um sensor, no caso, uma câmera térmica. Esta capaz de fornecer informações visuais, além de temperatura.

Devido ao projeto estar em fase de execução, pretende-se ainda realizar-se modificações na estrutura de forma a permitir a atuação do robô em outros tipos de dutos, como, por exemplo, de óleo e gás. Outra modificação prevista é a substituição da câmera atual por uma que trabalhe no espectro visível, devido ao fato de ocorrerem situações onde o duto pode estar completamente/parcialmente preenchido com água, um cenário onde ondas infravermelhas não conseguem se propagar.

Além de alterações mecânicas, estão sendo desenvolvidas técnicas de odômetria visual para ajudar o sistema robótico a identificar mais precimente onde estão localizadas as falhas dentro dos dutos.

Finalmente, com a finalização do projeto espera-se ter um protótipo completamente funcional para ser empregado na inspeção das linhas subterrâneas da CEEE.

AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de expressar seus agradecimento a

Companhia Estadual de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul por financiar este projeto.

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