BR102020015437A2 - Módulo robótico para instalação/remoção de sinalização aérea em cabo terra - Google Patents

Abstract

módulo robótico para instalação/remoção de sinalização aérea em cabo terra. a presente invenção trata de um dispositivo desenvolvido para manutenção específica em cabos de alta tensão e cabo terra (cabo não energizado) também denominado cabo para-raios. este módulo robótico é acoplado a um drone e levado por este para instalar/desinstalar diferentes tipos de dispositivos de sinalização aérea. o drone pode possuir controle automatizado ou controle manual e permite facilmente o acoplamento do módulo robótico para instalação da esfera de sinalização aérea. como existem diferentes tipos de esferas de sinalização aérea comerciais o módulo robótico permite o reposicionamento da ferramenta de instalação/fechamento em função da esfera escolhida pela companhia energética para instalação. a presente invenção é inovadora por permitir a instalação de diferentes esferas a partir de um módulo comum, acoplado a um drone que permite a transposição de todos os obstáculos e torres existentes para o posicionamento e instalação da esfera. desta forma não é necessário os técnicos escalarem as torres para instalação destas minimizando a possibilidade de acidentes, diminuindo o tempo para instalação das esferas e aumentando a eficiente do sistema energético sem a necessidade do desligamento das linhas de transmissão para realização desta atividade de manutenção.

Description

MÓDULO ROBÓTICO PARA INSTALAÇÃO/REMOÇÃO DE SINALIZAÇÃO AÉREA EM CABO TERRA Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a um módulo robótico para manutenção específica em cabos de alta tensão e cabo terra (cabo não energizado) também denominado cabo para-raios. Este módulo robótico é acoplado a um drone e levado por este para instalar/desinstalar diferentes tipos de dispositivos de sinalização aérea.

Estado da Técnica

[002] O ser humano depende da eletricidade para seu conforto e melhor sobrevivência. Para suprir a necessidade desta são necessários milhares de quilômetros de linhas de transmissão de energia que devem passar por manutenções que minimizam falhas no fornecimento desta. Também constantemente novas linhas de transmissão estão sendo construídas para suprir a demanda crescente por eletricidade.

[003] A manutenção em linhas energizadas começou com a utilização de bastões para ligar e desligar chaves energizadas. Nestes bastões diversas ferramentas podem ser adaptadas para diferentes tarefas. Com o uso destes bastões se torna mais raro a necessidade de desligar uma linha para manutenção (CELESC, ELVT Curso de manutenção em linhas de transmissão energizadas, 2019).

[004] Os operadores de linha viva trabalham em contato direto com as partes energizadas da linha para tensões de até 34,5kV estando em uma posição neutra e isolado da terra por dispositivos de segurança como luvas, mangas e coberturas. O método à distância para manutenção é utilizado para tensões até 230kV com a utilização de bastões isolantes. Acima de 230kV a utilização dos bastões fica difícil devido ao peso e tamanho dos mesmos. Nas tensões maiores que 230kV é utilizada a manutenção pelo método ao potencial em que o eletricista está isolado da terra e utiliza uma vestimenta condutiva sendo o Serviço realizado no mesmo potencial da linha (CELESC, ELVT Curso de manutenção em linhas de transmissão energizadas, 2019).

[005] As esferas de sinalização são equipamentos com formato esférico, geralmente na cor laranja, instaladas nos cabos das torres de transmissão a fim de servirem como sinalização diurna para aviões, helicópteros, balões, etc. Estas esferas, em modo geral, possuem cerca de 60 cm de diâmetro com massa média de 5kg.

[006] A instalação de esferas de sinalização por eletricistas envolve uma equipe com no mínimo 6 pessoas e tem como riscos a queda do eletricista, queda de materiais, queda de ferramental e risco de choque por indução e mesmo a operação inadequada do equipamento pela equipe. O tempo médio para instalação de uma esfera de sinalização é de 30 minutos sem levar em consideração o tempo para acesso, montagem dos equipamentos para alcançar o cabo para-raios (COPEL, Manutenção em linhas de distribuição em alta tensão com linha morta, 2015).

[007] A instalação de esferas de sinalização pode ser feita também com o auxílio de helicópteros. Neste caso o eletricista fica em uma plataforma fora do helicóptero e com pequenos movimentos sincronizados realiza as instalações utilizando-se de ferramentas especiais. Deve-se destacar que o uso de helicópteros representa riscos de queda, riscos de proximidade da hélice, proximidade excessiva ou colisão com os cabos, indisposição, mal-estar do eletricista ou piloto e possibilidade de pane da aeronave.

[008] Em função dos riscos que esta tarefa de manutenção/instalação de sinalização aéreas representam estão sendo pesquisas soluções para automatizar estes processos de manutenção com a utilização de robôs móveis (Rubin, L.; 2000. “The Future of Power Line Inspection”. Eletrical Word T&D) (Gonçalves, R. S.; Carvalho, J. C. M., Review and Latest Trends in Mobile Robots Applied in Power Transmission Lines, International Journal of Advanced Robotic Systems, 2013) e uso de drones. Assim, este documento apresenta um novo dispositivo para ser aplicado na manutenção do sistema de energia elétrica realizando a instalação/remoção de diferentes tipos de esferas de sinalização.

[009] Na literatura encontra-se um drone com um braço adaptado em baixo deste para instalação de sinalizadores/espantadores de pássaros (Scott Lobermeier, Matthew, Moldenhauer, Christopher M. Peter, Luke Slominski, Richard A. Tedesco, Marcus Ver Meer, James F. Dwyer, Richard E. Harness, Andrew H. Stewart, Mitigating avian collision with power lines: a proof of concept for installation of line markers via unmanned aerial vehicle, J. Unmanned Veh. Syst. 3: 1-7, 2015).

[010] Na patente US 5,038,465 é apresentado um dispositivo para instalação de várias esferas de sinalização a partir da utilização de um helicóptero. Este posiciona o dispositivo no cabo para-raios para instalação da esfera de forma automatizada pelo mecanismo proposto. A desvantagem desta patente é o alto custo para utilização do helicóptero e riscos de acidentes envolvendo do uso deste.

[011] A patente CN 103489284 B apresenta um dispositivo para instalação de uma esfera de sinalização desenvolvida para ser utilizada em conjunto com o dispositivo e instalada com o auxílio de cabos. A desvantagem deste dispositivo é que este não permite utilização em grandes alturas.

[012] Tem-se também apresentado na literatura um robô para instalação/remoção de esferas de sinalização por controle remoto. Este possui a desvantagem de não transpor obstáculos e ter a necessidade de ser posicionado no cabo por operadores (Mario F. M. Campos, Guilherme A. S. Pereira, Samuel R. C. Vale, Alexandre Q. Bracarense, Gustavo A. Pinheiro, Maurício P. Oliveira, A Robot for Installation and Removal of Aircraft Warning Spheres on Aerial Power Transmission Lines, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 18, n° 4, 2003). Robôs semelhantes a este trabalho para instalação de esferas a partir de uma ferramenta rotativa são apresentados nas patentes CN 203045255 U e CN 102975192 B.

[013] No documento US 9,932,110 B2 é apresentada a instalação de uma esfera de sinalização a partir de um drone. O drone leva a esfera até o ponto de instalação e utilizando-se de uma esfera específica desenvolvida para esta aplicação realiza a fixação desta no cabo, retornando ao solo para repetir a operação.

[014] A patente EP 2 916 404 B1 apresenta um robô móvel suspenso por fio para instalação de esferas de sinalização adaptadas com um mecanismo de fechamento desta na parte inferior da esfera. Este robô foi desenvolvido especificamente para esferas com mecanismo de fechamento do tipo alavanca posicionada na parte inferior da esfera. Semelhante a esta patente tem-se a BR 10 2013 013343-4 A2. Estes robôs não podem transpor os osbstáculos presentes nos cabos e ultrapassar as torres. Estes robôs também possuem como desvantagem a necessidade de colocação destes no cabo a partir da escalada da torre pelos técnicos e o içamento do robô por cordas.

[015] A patente KR 10-2017-0045975 apresenta um robô móvel suspenso por cabo que permite a locomoção ao longo deste e a instalação de diversas esferas possíveis de serem armazenadas no corpo do robô. Este não é capaz de transpor os obstáculos presentes no cabo e ultrapassar as torres existentes. Possui como desvantagem também a grande massa e necessidade de ser levado até o cabo por escalada da torre e içamento do robô por cordas.

[016] No caso dos robôs suspensos por cabos estes possuem a grande desvantagem de necessitarem dos operadores/técnicos escalarem a torre para o posicionamento destes.

[017] Nos cabos de transmissão e no cabo para-raios existem diversos elementos que se tornam obstáculos para os robôs móveis como as esferas de sinalização aérea, cadeias de suspensão, isoladores, luvas, espaçadores, grampos, amortecedores de vibração do tipo pré-formado ou stockbridge, espantadores de pássaros, emendas e diferentes tipos de torres. Assim, as soluções que utilizam robôs móveis suspenso por cabos não conseguem transpor facilmente todos os tipos de obstáculos existentes.

[018] Deve-se destacar também que as soluções utilizando-se de robôs móveis suspenso por cabo fazem adaptações nas esferas de sinalização existentes ou servem para um modelo de esfera específico. Existem diversas esferas de sinalização aérea comerciais que podem ser agrupadas em função do mecanismo de fixação no cabo. O primeiro grupo são esferas que possuem mecanismo de fechamento por giro posicionado na parte superior das esferas. Estas são desenvolvidas especificadamente para instalação utilizando-se bastão de manobra a partir da plataforma fixa em helicópteros. O segundo grupo são esferas que possuem o mecanismo de fechamento por giro posicionado na parte inferior das esferas. O terceiro grupo são esferas que possuem o mecanismo de fechamento também na parte inferior das esferas, mas o fechamento da esfera no cabo é feito a partir de um mecanismo com uma alavanca acoplada. O quarto grupo são esferas formadas por duas metades que são fixas ao cabo a partir do aparafusamento de suas extremidades. A presente invenção permite a instalação destes diferentes tipos de esfera com a modificação da posição da ferramenta de fechamento da esfera no módulo robótico.

[019] As utilizações de helicópteros com operadores, mesmo no caso da utilização de mecanismos automatizados, apresentam riscos de quedas e maiores acidentes com os operadores, além dos altos custos associados.

[020] O principal objetivo do “MÓDULO ROBÓTICO PARA INSTALAÇÃO/REMOÇÃO DE SINALIZAÇÃO AÉREA EM CABO TERRA” é diminuir a possibilidade de acidentes com os técnicos que realizam estes tipos de manutenção com a utilização de módulo robótico com mecanismos específicos para fixação para cada tipo de esfera comercial existente. O acoplamento deste módulo robótico ao drone permite a transposição de todos os obstáculos presentes nos cabos de alta tensão e cabo para-raios além de permitir a movimentação do drone-robô entre as torres. Assim o drone leva o módulo robótico até a posição de instalação da esfera. Este drone-robô também diminui os riscos aos operadores por não ser necessária a instalação/colocação destes nos cabos a partir da escalada das torres de alta tensão.

[021] A utilização deste drone-robô também permite a realização das atividades de manutenções sem a necessidade de desligamento da energia elétrica impactando ao mínimo possível os danos a equipamentos, consumidores industriais e residências. Tem-se portanto com a utilização da solução proposta o aumento da eficiência do sistema energético.

Listagem de Figuras

[022] A presente invenção pode ser melhor compreendia quando analisada juntamente com as figuras e descrições acompanhados neste documento.

[023] FIGURA 1: Representação tridimensional do drone com acoplamento para o módulo robótico.

[024] FIGURA 2: Representação tridimensional do módulo robótico para instalação/remoção de esfera de sinalização aérea.

[025] FIGURA 3: Mostra diferentes tipos de esferas de sinalização aérea existentes agrupadas em função da disposição do mecanismo de fechamento da esfera no cabo.

[026] FIGURA 4: Representação tridimensional do mecanismo de fechamento da esfera.

[027] FIGURA 5: Representação tridimensional do módulo robótico para instalação/remoção de esfera de sinalização aérea acoplado ao drone.

[028] FIGURA 6: Representação tridimensional do módulo robótico para instalação/remoção de esfera de sinalização aérea acoplado ao drone realizando a instalação da esfera em um cabo para-raios.

[029] O módulo robótico para instalação/desinstalação de esferas de sinalização é formado por um suporte para esferas de diâmetros diferentes, uma guia para melhor aproximação do drone com o módulo no cabo terra e uma ferramenta para o acoplamento/desacoplamento da esfera no cabo. Esta ferramenta é modificada de posição em função do tipo de esfera a ser instalada. O módulo possui uma câmera que permite o posicionamento deste pelo drone no cabo e visualização da operação de instalação da esfera.

[030] Este módulo é acoplado em um drone que permite o deslocamento do dispositivo até o local da instalação do equipamento. O drone possui um sistema de referenciamento de voo com precisão centimétrica para permitir o controle deste nos campos eletromagnéticos gerados pelos cabos de alta tensão. A operação deste drone-robô pode ser realizada automaticamente ou por controle remoto.

[031] Diversas são as atividades de manutenção no sistema de transmissão energética que aparecem em função da exposição a fatores climáticos, ao envelhecimento natural dos componentes e também devido a atos de vandalismo, como por exemplo a destruição de esferas de sinalização. A manutenção destes componentes visa diminuir a possibilidade de colisões de aviões de pequeno porte e de helicópteros contra os cabos de alta tensão. As instalações de dispositivos de sinalização aérea no sistema de distribuição de energia elétrica, tradicionalmente, são realizadas com operadores de linha viva com a utilização de ferramentas específicas.

[032] Também existe a necessidade de instalação das esferas de sinalização na construção de novas linhas de transmissão.

[033] Assim, o drone-robô proposto nesta presente invenção visa a redução nos riscos humanos associados com as operações de manutenção do sistema de transmissão de energia como a exposição a intensos campos eletromagnéticos, quedas e riscos de choque elétrico.

[034] Na FIGURA 1 é representado o drone D1 com quatro ou seis ou oito rotores R1 com capacidade de carga entre 25 kg a 50 kg. Este possui um controlador A1 que permite controles autônomo e manuais caso necessário por um operador em solo. O acoplamento do módulo robótico para instalação dos equipamentos para sinalização aérea é realizado a partir de uma placa PM1 fixa a estrutura do drone.

[035] O MÓDULO ROBÓTICO PARA INSTALAÇÃO/REMOÇÃO DE SINALIZAÇÃO AÉREA EM CABO TERRA MR1 mostrado na FIGURA 2 é formado por um suporte S1 para esfera E1 possuindo um mecanismo M1 para fechamento/abertura da esfera no cabo. O posicionamento da esfera no cabo é feito com o auxílio de guias G1. Para auxiliar na operação de instalação/remoção da esfera é utilizada uma câmera de alta resolução C1. A alimentação do módulo robótico MR1 é realizada por baterias B1. O módulo robótico MR1 possui um controlador embarcado A2 para realizar a instalação/remoção da esfera de sinalização de forma automática ou a partir de um operador no solo utilizando-se de um controle remoto. O acoplamento do módulo robótico ao drone é realizado a partir de uma placa PM1 que contém engate rápido do tipo rasgos ou mecanismos do tipo eletroímãs AD1 para realizar este acoplamento.

[036] Na FIGURA 3 são representados diferentes tipos de esferas de sinalização existentes. A FIGURA 3(a) mostra a esfera ES1 com o fechamento realizado pela parte superior. Neste caso o mecanismo M1 para fechamento/abertura da esfera no cabo é posicionado na parte superior do mecanismo MR1 e possui atuação rotativa. A FIGURA 3(b) mostra a esfera EI1 com o fechamento realizado pela parte inferior. O mecanismo M1 para fechamento/abertura da esfera no cabo neste caso é posicionado na parte inferior do dispositivo MR1 e possui atuação rotativa. Na FIGURA 3(c) é representada a esfera EA1 com mecanismo de fechamento por alavanca. Neste caso o mecanismo M1 para fechamento/abertura da esfera no cabo é posicionado na parte inferior do dispositivo MR1. A FIGURA 3(d) representa a esfera EP1 formada por duas metades e fechamento realizado nas extremidades por parafusos. Neste caso o mecanismo M1 para fechamento é posicionado em ambas as extremidades.

[037] Na FIGURA 4 é representado o mecanismo M1 para fechamento da esfera. Este é formado por uma ferramenta F1 que permite a atuação para o fechamento da esfera. A atuação da ferramenta F1 é realizada pelo motor MA1. O mecanismo M1 também possui fusos FU1 que permitem a movimentação vertical do mecanismo M1 para desacoplamento da esfera. A atuação do fuso é realizada pelo motor MA2.

[038] Na FIGURA 5 é representado o conjunto drone-robô formado pelo drone D1 e o módulo robótico MR1 para instalação/remoção de esferas de sinalização.

[039] Na FIGURA 6 é mostrado o conjunto formado pelo drone D1 e o módulo robótico MR1 posicionado no cabo para-raios CA1 para instalação da esfera de sinalização. Após a instalação da esfera o drone-robô retorna ao solo para a colocação de uma nova esfera para ser instalada.

Claims (5)

1. MÓDULO ROBÓTICO PARA INSTALAÇÃO/REMOÇÃO DE SINALIZAÇÃO AÉREA EM CABO TERRA caracterizado por ser acoplado a um drone e compreender um suporte S1 que possui um mecanismo M1 para fechamento/abertura da esfera E1 no cabo, guias G1, câmera de alta resolução C1, controlador embarcado A2, placa PM1 e baterias B1 para alimentação do módulo.
2. MÓDULO ROBÓTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir o mecanismo M1 uma ferramenta F1 que permite a atuação para o fechamento da esfera realizada pelo motor MA1, possuindo também fusos FU1 que permitem a movimentação vertical do mecanismo M1 para desacoplamento da esfera sendo realizada pelo motor MA2.
3. MÓDULO ROBÓTICO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por possuir o mecanismo M1 que permite a instalação de diferentes esferas de sinalização em função do mecanismo de fechamento desta.
4. MÓDULO ROBÓTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter a placa PM1 engate rápido do tipo rasgos ou mecanismos do tipo eletroímãs AD1.
5. MÓDULO ROBÓTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser o controlador embarcado A2 responsável por realizar a instalação/remoção da esfera de sinalização de forma automática ou a partir de um operador no solo utilizando-se de um controle remoto.

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