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Automação e controlo de um sistema de armazenamento de bicicletas
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Marcelo Philippi Antunes
1 INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Mecânica ISEL Automação e controlo de um sistema de armazenamento de bicicletas PAULO ANDRÉ GUIA SILVA GONÇALVES (Licenciado em Engenharia Mecânica) Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Orientadores: Doutor Mário José Gonçalves Cavaco Mendes Licenciado Luis Afonso Melo Júri: Presidente: Prof. Doutor João Carlos Quaresma Dias Vogais: Prof. Doutor José Alberto de Jesus Borges Prof. Nuno Paulo Ferreira Henriques Prof. Doutor Mário José Gonçalves Cavaco Mendes Prof. Luís Afonso Melo Dezembro de 2011
3 Aos meus Pais. Ao meu Irmão. À Rita. "Na arte da vida, com conhecimento voamos, com amor crescemos, com ambição cegamos." Anónimo iii
5 AGRADECIMENTOS É com muita satisfação que expresso aqui o mais profundo agradecimento a todos aqueles que tornaram este trabalho possível. Gostaria antes de mais agradecer ao Professor Mário Mendes, orientador desta dissertação, pelo seu apoio, disponibilidade e incentivo, demonstrados desde o início, e essenciais ao desenvolvimento deste trabalho. Gostaria também de agradecer ao Professor Luís Melo, co-orientador desta dissertação, pelo seu apoio, pelas suas sugestões e conhecimentos de motores, essenciais ao desenvolvimento do projecto. Ao Professor Joaquim Infante Barbosa pelo seu apoio e esclarecimentos dados a nível da estrutura. Ao Eng.º Vitor Medeiros e ao Eng.º Henry Simões da Infaimon pelos esclarecimentos prestados sobre os sistemas de visão artificial. À minha família que sempre me acompanhou durante a minha vida académica, por todo o apoio, motivação e incentivo que sempre me deram para seguir em frente. À Rita, por todo o carinho, motivação, compreensão, apoio e ajuda dados. Simplesmente pela pessoa especial que é para mim. Aos meus amigos mais próximos pela força e motivação. v
7 RESUMO A crescente procura da bicicleta como meio de transporte alternativo torna relevante a criação e desenvolvimento de infra-estruturas de apoio, tais como ciclovias e parques para bicicletas. Os sistemas tradicionais de parqueamento de bicicletas com recurso a correntes e cadeados não fornecem segurança nem comodidade. No entanto, começam a surgir, em várias cidades do mundo, parque automáticos onde é possível guardar uma bicicleta em segurança, protegendo-a quer das intempéries quer de actos de vandalismo. Este trabalho apresenta uma proposta para um parque automático de armazenamento de bicicletas, com recurso a caixas individualizadas que garantem a sua segurança, e também de outros bens que podem ser guardados junto da mesma, como por exemplo um capacete ou uma mochila. O sistema proposto no âmbito deste trabalho é um complemento às alternativas existentes. As vantagens apresentadas pelo sistema proposto são: a sua construção modular e personalizada; e a possibilidade de instalação num terreno plano, sem recurso a obras de construção civil. O objectivo foi criar um projecto de automação e controlo de um protótipo, com base na proposta apresentada. O projecto de automação e controlo engloba a escolha dos sensores e dos actuadores. Para o dimensionamento dos motores foi necessário recorrer a um cálculo simplificado da estrutura do robô manipulador. Foi feita a escolha dos sensores, actuadores e do controlador com base nos requisitos funcionais. A programação foi desenvolvida numa linguagem normalizada. O modelo desenvolvido poderá servir de base para um projecto multidisciplinar entre vários departamentos do Instituto e dessa cooperação poderá surgir um novo projecto optimizado para produção e de menor custo. PALAVRAS-CHAVE: Automação, Parque automático de bicicletas, Mobilidade sustentável, Autómatos programáveis, Sensores, Actuadores. vii
9 ABSTRACT The increasing demand for cycling as alternative transport system makes it relevant the need of infrastructures like cycle lanes or bicycle parks. Traditional systems for parking bicycles using locks and chains do not provide security or convenience. However, begin to appear in several cities around the world, automatic bicycle parks where you can store a bicycle safely, protecting it from the weather or acts of vandalism. This work presents a proposal for an automatic parking bicycle storage, using individual boxes to ensure their safety, as well as to storage other accessories, such as a helmet or a backpack. The system proposed in this work is a complement to other existing systems. The advantages presented by the proposed system are its modular and customizable construction and the possibility of installing on a flat terrain, without recourse to civil works. The aim was to create and design the automation and control system of a prototype, based on the proposal. The automation and control project includes the selection of sensors and actuators. To design the motors was necessary to use a simplified calculation of the robot manipulator structure. It made the choice of sensors, actuators and controller based on functional requirements. The program was developed in a standardized language. The model developed can serve as a basis for a multidisciplinary project between several departments of the Institute and from such cooperation may emerge a new design optimized for production and lower cost. KEYWORDS: Automation, Automatic Bike Park, Sustainable mobility, Programmable Logic Controllers, Sensors, Actuators. ix
11 SÍMBOLOS E ABREVIATURAS Abreviaturas AR/RS - Automated Storage and Retrieval Systems. CPU - Central processing unit. FDB - Function Diagram Blocks. GPRS/3G - General packet radio service/3ª Geração. GRAFCET - Gráfico Funcional de Comandos Etapa-Transição. HDPE - High density polyethylene. HMI - Human-Machine Interface. I/O - Input/Output. ID - Identification Number. IDAE - Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energia. IEC - Internacional Electrotechnical Commission. IL - Instruction List. ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. LAD - Ladder Diagram. MA - Módulos de armazenamento. NA - Normalmente aberto. NF - Normalmente fechado. PLC - Programmable logic controller. PID - Proportional integral derivative. PIN - Personal Identification Number. PROFIBUS - Process Field Bus. PROFINET - Process Field Ethernet RFID - Radio frequency Identification. SFC - Sequential Function Chart. ST - Structured Text. UA - Unidade de armazenamento. VEF - Variador electrónico de frequência. ZED - Zona de entrega/devolução. xi
12 Símbolos µ RC - Coeficiente de atrito estático do sistema roda-carril. f base F base(x) F base(y) f EL F lubrificador F max F mola F PS(X) F PS(Y) l EL l PS m DLS3 m elevador m PS M PS m UA P EL v base v EL v PS - Coeficiente de atrito de rolamento da base do robô. - Força horizontal necessária para mover o robô. - Força vertical exercida pela elevador na base do robô. - Coeficiente de atrito de rolamento do elevador. - Força de atrito que os lubrificadores adicionam ao sistema. - Força máxima exercida pela UA na extremidade da plataforma superior. - Força necessária para actuar o sistema de mola que fixará a UA ao módulo de armazenamento. - Componentes da força horizontal provocada na fixação da plataforma superior ao elevador. - Componentes da força vertical provocada na fixação da plataforma superior ao elevador. - Altura do elevador. - Comprimentos da plataforma superior. - Massa da plataforma superior. - Massa do elevador. - Massa total da plataforma superior. - Momento exercido pela plataforma superior no apoio do elevador. - Massa da Unidade de armazenamento (estrutura mais carga). - Potência do elevador. - Velocidade de projecto da base do robô. - Velocidade de projecto para o elevador. - Velocidade de projecto para a plataforma superior. xii
13 ÍNDICE GERAL 1. INTRODUÇÃO ASPECTOS GERAIS OBJECTIVO DO TRABALHO ESTRUTURA E ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO PARQUES AUTOMÁTICOS DE BICICLETAS PELO MUNDO: ESTADO DA ARTE INTRODUÇÃO INCENTIVOS AO USO DA BICICLETA BIKE-SHARING SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO AUTOMÁTICO DE BICICLETAS Biceberg Descrição Funcionamento Instalação e recursos necessários Vantagens e limitações B-Igloo Descrição Funcionamento Instalação e recursos necessários Vantagens e limitações Cycle Tree Multi-Level Mechanical Bicycle Parking System Descrição Funcionamento Vantagens e limitações Bikedispenser Vantagens e limitações ARMAZÉNS INTELIGENTES Funcionamento CONCLUSÃO SISTEMA PROPOSTO PARA ARMAZENAMENTO AUTOMÁTICO DE BICICLETAS INTRODUÇÃO ANÁLISE DAS NECESSIDADES Objectivo do Sistema Requisitos do sistema xiii
14 Utilizações Tipo e Locais de Instalação PROPOSTA DO SISTEMA Unidade de Armazenamento Módulos de Armazenamento Robô Manipulador Carris principais de movimento do robô (base do robô): Elevador: Plataforma superior: Módulo de recepção/entrega Configuração adoptada CONCLUSÃO DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DO ROBÔ MANIPULADOR INTRODUÇÃO PLATAFORMA SUPERIOR Cargas aplicadas Escolha dos componentes Determinação da potência motora necessária Cálculo aproximado da massa da plataforma superior ELEVADOR Cargas aplicadas Escolha dos componentes Cálculo da potência necessária Cálculo aproximado da massa do elevador BASE DO ROBÔ Determinação das cargas aplicadas Escolha dos componentes Cálculo da potência necessária CONCLUSÃO DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE CONTROLO INTRODUÇÃO ESCOLHA E SELECÇÃO DOS COMPONENTES DE ENTRADA E SAÍDA Variadores Electrónicos de Frequência Sensores Controlo do sistema em anel fechado Controlo com base em sensores fim de curso Módulo de fixação da UA Portas automáticas Sistema de pesagem Sistema de verificação do conteúdo da UA xiv
15 O problema da verificação do interior da UA Selecção do sistema de visão artificial Leitor RFID Autómato programável Lista de pontos Selecção do PLC Interface HMI (Human-Machine Interface) INSTALAÇÃO ELÉCTRICA DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA DE CONTROLO Descrição de funcionamento e lógica de controlo Estrutura e Organização do Programa de Controlo Lista de símbolos Exemplo de uma função ENSAIO DO PROGRAMA CONCLUSÃO CONCLUSÕES GERAIS E TRABALHO FUTURO CONCLUSÕES GERAIS PRINCIPAIS PROBLEMAS TRABALHOS FUTUROS ANEXO I - CATÁLOGOS DOS FABRICANTES ANEXO II - LISTAGEM DO PROGRAMA DE AUTOMAÇÃO E CONTROLO AII-I- LISTA DE SÍMBOLOS AII-II- OB1 MAIN PROGRAM AII-III- FC1 FC_MOTOR_CONTROL AII-IV- FC2 FC_COMPARE AII-V- FC3 FC_SEARCH_EMPTY AII-VI- FC4 FC_SEARCH_ID AII-VII- FC5 FC_GO_POSITION AII-VIII- FC6 FC_GO_HOME AII-IX- FC7 FC_CHECK AII-X- FC8 FC_REGISTER AII-XI- FC9 FC_OPERATION AII-XII- DB1 DB_DADOS xv
17 ÍNDICE DE TABELAS Tabela Quadro síntese das características dos equipamentos estudados Tabela Excerto da tabela de selecção de motores para o sistema DLS Tabela Cálculo da massa da plataforma superior Tabela Características dos perfis de construção usados Tabela Excerto da tabela de selecção do sistema HDSL para vida de 10000km Tabela Características do motor do elevador Tabela Listagem de componentes e determinação da massa total do elevador Tabela Características do sistema redutor+motor do robô Tabela Características dos VEF escolhidos Tabela Resumo da quantidade e tipo de sensores de fim de curso necessários Tabela Principais características da garra HGPLE Tabela Lista das características mais importantes do sistema AT Tabela Características do sistema de visão artificial Teledyne DALSA Tabela Resumo das entradas e saídas necessárias para o PLC Tabela Características técnicas do autómato e dos módulos adoptados Tabela Descrição dos componentes usados na interface HMI Tabela Descrição de funcionamento das funções usadas no programa de controlo Tabela Lista de símbolos xvii
19 ÍNDICE DE FIGURAS Figura Sistema de Bike-Sharing... 4 Figura Modelos do sistema BiceBerg com capacidades desde 23 a 92 bicicletas... 5 Figura Sistema de recepção e devolução de bicicletas do Biceberg em Barcelona... 6 Figura Estrutura subterrânea construída em placas de betão pré-fabricado. A esquerda, aspecto das placas prefabricadas e sua disposição. A direita, aspecto final da estrutura... 7 Figura Aspecto exterior do sistema b-igloo... 9 Figura Esquema explicativo da constituição do sistema b-igloo... 9 Figura Aspecto da zona de recepção e entrega das bicicletas Figura Vista do interior de um silo do sistema Cycle Tree Figura 2.9 -Parque de bicicletas na estação Kasai em Tóquio Figura Vista exterior do sistema Bikedispenser Figura Diversas configurações do sistema Bikedispenser Figura Armazém inteligente, com destaque para o robô transelevador Figura Robô transelevador (a) e sistema de extracção lateral (b) Figura Exemplos de configurações possíveis do sistema de armazenamento Figura Exemplo ilustrativo de uma unidade de armazenamento Figura Exemplo de um módulo de armazenamento Figura Caracterização dos componentes do robô manipulador Figura Localização da zona de recepção/devolução Figura 3.6 Configuração da estrutura adoptada - Vista em planta Figura Configuração da estrutura adoptada - Corte AA Figura Configuração da estrutura adoptada - Corte BB Figura Diagrama de forças da plataforma superior Figura Exemplo de um actuador linear. Sistema DLS da Hepco Figura Diagrama de esforços do elevador Figura Detalhe do sistema de transmissão linear Figura Várias etapas de projecto de um sistema de controlo Figura Exemplo de um variador electrónico de frequência Figura Esquema de ligações do VEF a esquerda e pormenor da ligação do controlo a dois fios Figura Exemplo de um sensor mecânico de fim de curso Figura Localização dos sensores X0 a X6 (vista em planta) Figura Localização dos sensores Y1, Y01, Y2 e Y Figura Localização dos sensores ZED, Z0 e Z1 (vista alçado) Figura Exemplo de uma garra paralela industrial xix
20 Figura 5.9 Exemplo dos dedos da garra e as suas posições de abertura e fecho (vista em planta) Figura Explicação detalhada da montagem da garra no carrinho do actuador linear (alçado) Figura Processo de fixação e deslocamento da UA Figura Célula de carga Siemens SIWAREX R - RN series Figura Exemplo da distribuição das células de carga e dos estabilizadores Figura Imagens obtidas por um sistema de visão artificial para verificação das dimensões (a direita) e detecção de imperfeições (a esquerda) Figura Sistema de visão artificial Teledyna DALSA Figura Bancada de ensaios com o controlador S7-314 IFM Figura Exemplo de interface com o utilizador Figura 5.18 Circuito de potência e de comando do parque Figura Fluxograma que descreve o processo de funcionamento do parque automático de armazenamento de bicicletas Figura Descrição da organização do ficheiro de base de dados Figura Esquema de organização dos blocos dentro do programa principal xx
21 Capítulo 1 INTRODUÇÃO 1.1. Aspectos gerais A elevada dependência do petróleo, os problemas ambientais, o trânsito nas grandes cidades e os problemas de estacionamento, têm tornado a bicicleta cada vez mais numa alternativa limpa, económica e barata comparativamente ao automóvel e aos transportes públicos tradicionais. No entanto a adaptação das grandes cidades para o aumento do tráfego de bicicletas requer vias de circulação próprias e espaços destinados ao parqueamento seguro destas quando estas não estão em circulação. Os espaços tradicionais destinados a esse fim, além de escassos, normalmente não permitem o parqueamento seguro das bicicletas e dos seus acessórios, quer contra pessoas, quer contra intempéries. Assim surge a necessidade de um sistema que permita o parqueamento seguro, simples (de preferência totalmente automático), barato e localizado perto dos locais de maior afluência (centros históricos, centros empresariais, transportes públicos, etc.). Tal deverá garantir a segurança da bicicleta e dos seus acessórios, assim como garantir a facilidade de utilização por parte dos seus utilizadores. Um sistema deste tipo, instalado em sítios estratégicos, deverá proporcionar aos seus utilizadores uma forma segura e cómoda de guardar a sua bicicleta e potenciar o uso dos transportes alternativos. O desenvolvimento de um equipamento deste género servirá para colmatar uma lacuna existente no mercado nacional a nível de parques automáticos de armazenamento de bicicletas. Com um projecto deste género poderá existir futuramente um produto totalmente desenvolvido e construído em Portugal Objectivo do trabalho Pretende-se, com este trabalho, propor um modelo de um protótipo de um sistema de armazenamento automático de bicicletas, adaptado a realidade das nossas cidades, que permita guardar a bicicleta e todos os seus acessórios (capacete, luvas, mochila, etc.) de forma prática e segura. 1
22 O principal objectivo deste trabalho é o desenvolvimento do projecto de automação e controlo para o modelo do protótipo proposto Estrutura e organização da dissertação A estrutura deste trabalho será composta por um segundo capítulo dedicado a estudar os sistemas existentes em outros países. Durante esse estudo serão analisadas as características técnicas, o tipo de construção e as vantagens e desvantagens. No capítulo três é proposto um modelo para um protótipo de um parque automático de armazenamento de bicicletas. Serão analisadas as necessidades do nosso mercado para a posterior definição das características técnicas do equipamento. O capítulo quatro abordará a componente de cálculo estrutural essencial para o cálculo da potência motora do equipamento e para a selecção do equipamento de controlo. O desenvolvimento do projecto de automação e controlo será feito no capítulo cinco. 2
23 Capítulo 2 PARQUES AUTOMÁTICOS DE BICICLETAS PELO MUNDO: ESTADO DA ARTE 2.1. Introdução Nos últimos anos, com o crescente aumento do preço do petróleo e da preocupação pela adopção de modos de vida saudáveis, a bicicleta tem surgido cada vez mais como um meio de deslocação nas grandes cidades. Associado à promoção do uso da bicicleta, como meio de transporte para o trabalho ou simplesmente como forma de lazer, está a criação de infra-estruturas próprias, nomeadamente as ciclo vias e os espaços destinados ao armazenamento das bicicletas. Assim, têm surgido nas grandes cidades diversos equipamentos que permitem o armazenamento seguro das bicicletas quando não estão em uso. A par destes têm surgido também diversos serviços de aluguer de bicicletas para uso temporário, mais conhecidos como Bike-Sharing (Partilha de bicicletas). Este é portanto um assunto de grande actualidade e por isso pretende-se com este capítulo fazer o estado da arte dos diversos sistemas automáticos de armazenamento de bicicletas existentes no mundo. Focando as suas características principais, o seu funcionamento, as suas vantagens e limitações. Além disso, far-se-á uma pequena apresentação de alguns programas europeus de promoção da bicicleta e execução de infra-estruturas nesta área. Uma pequena referência a armazéns inteligentes também será apresentada Incentivos ao uso da bicicleta Recentemente diversos países têm criado programas que promovem o uso da bicicleta nas grandes cidades, em especial nas deslocações de casa para o trabalho. Um dos projectos que surgiu a nível europeu foi o PRESTO - promoting cycling for everyone as a daily transport mode. Este projecto ambiciona reunir o que melhor se faz a nível europeu em políticas e conhecimentos na área do ciclismo urbano. Pretende servir como um guia de referência 3
24 europeu, tanto a nível de infra-estruturas, como a nível de promoção e incentivo ao uso da bicicleta (Dufour, 2010). Outra iniciativa para a promoção do uso da bicicleta é proposta pelo governo espanhol, apresentada sobre a forma de um guia. O Guía metodológica para la implantación de sistemas de bicicletas públicas en España criado pelo Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) reúne num documento único as boas práticas e politicas a seguir para fomentar o uso da bicicleta nas cidades espanholas (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2007) Bike-Sharing O Bike-sharing é um conceito de partilha de bicicletas por diversos utilizadores através de equipamentos próprios (Figura 2.1). Neste contexto foram desenvolvidos dois modelos: um comunitário, onde a bicicleta pode ser levantada num ponto e entregue em outro ponto da cidade; e um modelo residencial, onde a bicicleta é levantada e entregue no mesmo ponto (DeMaio, Will Smart Bikes Succeed as Public Transportation in the United States?, 2004). Figura Sistema de Bike-Sharing (DeMaio, Bike-sharing: History, Impacts, Models of Provision, and Future, 2009) Estes equipamentos promovem o aumento da utilização dos transportes públicos e reduzem as distâncias entre os diversos meios de transporte. O conceito original foi criado nos anos 60 em Amesterdão, mas só com a actual tecnologia de monitorização foi possível promover o seu uso com a introdução dos cartões de acesso, em 1996 na Portsmouth University em Inglaterra (DeMaio, Bikesharing: History, Impacts, Models of Provision, and Future, 2009). 4
25 2.4. Sistemas de Armazenamento Automático de Bicicletas Recentemente têm surgido no mercado diversos sistemas de armazenamento automático de bicicletas. Estes são práticos para guardar de forma segura a bicicleta quando não está em uso. Qualquer um dos sistemas aqui apresentado funciona de forma totalmente automática. O utilizador só necessita de colocar a bicicleta correctamente na zona de recepção do equipamento e através do painel de controlo registar a entrada Biceberg O sistema Biceberg foi criado em 1994 pela empresa ma-sistemas (Espanha) com o objectivo de criar um sistema seguro para armazenar bicicletas e seus acessórios (capacete, mochilas, etc.). A bicicleta é recolhida à superfície e guardada num silo subterrâneo de forma totalmente automática e sem qualquer intervenção do utilizador, num tempo inferior a 30 segundos. O controlo de utilizadores é feito com recurso a um cartão electrónico e um PIN (Personal Identification Number) para maior segurança (ma-sistemas, 2003) Descrição Este equipamento é composto por módulos circulares, possíveis de agrupar em diversos níveis. Estes módulos podem ser agrupados na vertical, variando capacidade do equipamento instalado (tal como ilustrado na Figura 2.2). Cada módulo é composto por 23 caixas de armazenamento de bicicletas e respectivos acessórios. As caixas são construídas em fibra de vidro, com uma ranhura na base interior, com o objectivo de encaixar os pneus da bicicleta tornando-a estável (ma-sistemas, 2003). Figura Modelos do sistema BiceBerg com capacidades desde 23 a 92 bicicletas (ma-sistemas, 2003) 5
26 A recepção e devolução da bicicleta são feitas num equipamento urbano próprio instalado à superfície (como ilustrado na Figura 2.3). Este pode ser construído em alumínio, vidro ou betão pré-fabricado e é composto por um painel onde o utilizador insere o seu cartão pessoal e o seu PIN e uma porta de acesso para a caixa onde vai ficar guardada a bicicleta e os respectivos acessórios (ma-sistemas, 2003). Figura Sistema de recepção e devolução de bicicletas do Biceberg em Barcelona (ma-sistemas, 2003) A única diferença notável entre os diversos modelos é a profundidade necessária de escavação, de acordo com o número de módulos instalados (ma-sistemas, 2003) Funcionamento A utilização por parte do utilizador é muito intuitiva. O manual do utilizador refere os seguintes passos a seguir: 1. Inserir o cartão pessoal; 2. Marcar o PIN; 3. Seleccionar uma opção no painel; 4. Inserir / Remover a bicicleta; 5. Remover o cartão pessoal; Existe um número de telefone sempre disponível para onde o utilizador pode ligar caso haja algum problema com a entrega/devolução da bicicleta. O sistema tem a capacidade para uma bicicleta e mais 25 kg de bagagem. Não é permitido guardar seres vivos, motociclos, patins e agentes inflamáveis (ma-sistemas, 2003). 6
27 Instalação e recursos necessários Este sistema requer para a sua instalação um espaço cilíndrico com 7,5 metros de diâmetro e uma profundidade de acordo com a capacidade a instalar. Este espaço pode ser subterrâneo (instalado por baixo da via pública ou de um jardim) ou por exemplo, instalado na cave de um prédio. No caso de a instalação ser subterrânea o local onde é montado o equipamento pode ser feito em betão armado ou em peças de betão pré-fabricado, desde que cumpra os requisitos para suportar a carga a que está sujeito à superfície (ma-sistemas, 2003). Na Figura 2.4 pode-se observar o aspecto da estrutura subterrânea construída em peças de betão préfabricado. Na figura da direita é possível visualizar o local onde vai ser colocado o mobiliário urbano de acesso ao equipamento (indicado com a seta laranja). O orifício em forma de semi-círculo é o local onde o elevador interior vai ser montado possibilitando a devolução da caixa à superfície. Figura Estrutura subterrânea construída em placas de betão pré-fabricado. A esquerda, aspecto das placas prefabricadas e sua disposição. A direita, aspecto final da estrutura (ma-sistemas, 2003). Para o correcto funcionamento do equipamento é necessário um ponto de alimentação eléctrica monofásica de 230 VAC com 5500w de potência mínima, com ligação a terra. É necessária também uma linha telefónica analógica, para gestão e monitorização do equipamento à distância (ma- SISTEMAS, 2003) Vantagens e limitações Este sistema apresenta as seguintes vantagens: Permite guardar de forma segura e cómoda uma bicicleta de qualquer tamanho e todo o equipamento associado ao seu uso, como o capacete, uma mochila, um colete reflector, etc.; Não ocupa muito espaço útil da via pública, apenas a zona de recepção/devolução da bicicleta, que necessita de estar acima da cota do solo; Por ser um sistema modular, a sua capacidade pode ser configurada de acordo com as necessidades do local. 7
28 E as seguintes limitações: Requer trabalhos especializados de construção civil para a sua instalação; Necessita de alimentação eléctrica e linha telefónica; Uma vez instalado não permite uma ampliação, sem recorrer a demolições B-Igloo O sistema b-igloo é um parque automático de armazenamento de bicicletas, que permite guardar com segurança uma bicicleta e todos os acessórios inerentes ao seu uso, como por exemplo um capacete ou uma mochila. Este pode ser instalado em qualquer local, pois não necessita de obras de construção civil para sua instalação. A bicicleta é devolvida num tempo máximo de dez segundos. Este foi criado pela ma-sistemas em parceria com a empresa UNDERCOVER S.L. em Espanha (UNDERCOVER S.L, 2005) Descrição Este sistema é constituído por uma estrutura circular composta por 24 caixas construídas em material compósito boxes onde são armazenadas a bicicleta e os acessórios. A estrutura roda sobre um eixo vertical e está totalmente coberta por uma superfície em resina de poliéster. Quando é seleccionada uma determinada box a estrutura roda até que esta fique alinhada com a porta de acesso (UNDERCOVER S.L, 2005). O controlo de acessos é feito por meio de um cartão de acesso e um PIN. Para segurança as portas tem um sensor de força, para impedir que algum objecto ou até o próprio utilizador fiquem presos na porta. Existe também um sensor de visão artificial para detectar a presença de seres vivos dentro da caixa e impedir as portas de fechar neste caso. O sensor de carga evita sobrecarregar os motores e colocar em causa o funcionamento do equipamento (UNDERCOVER S.L, 2005). No caso de o sistema ser instalado com o intuito de aluguer de bicicletas, pode ser previsto um leitor de RFID (Radio-frequency identification) para identificação da bicicleta alugada (UNDERCOVER S.L, 2005). Este equipamento pode ser mantido e controlado a distância através de uma ligação sem fios GPRS/3G (General packet radio service/3ª Geração). Além disso pode funcionar com recurso a energias renováveis, sendo assim um equipamento totalmente autónomo (UNDERCOVER S.L, 2005). 8
29 Na Figura 2.5 pode-se observar o aspecto exterior do sistema b-igloo, sendo de notar que a superfície exterior pode ser usada para publicidade ou integrada visualmente no local a instalar. Na Figura 2.6 é ilustrada a constituição interior deste equipamento, onde pode ser observado a disposição das bicicletas e o aproveitamento do espaço (sem a ilustração das boxes). Este equipamento também pode ser instalado no interior de um edifício, dispensando nesse caso a cobertura em resina de poliéster (UNDERCOVER S.L, 2005). Figura Aspecto exterior do sistema b-igloo (UNDERCOVER S.L, 2005). Figura Esquema explicativo da constituição do sistema b-igloo (UNDERCOVER S.L, 2005) Funcionamento Como este sistema é baseado no Biceberg, o seu modo de funcionamento é idêntico ao descrito no subcapítulo
30 Instalação e recursos necessários Este equipamento não precisa de trabalhos de construção civil especializados para sua instalação. Apenas é necessária uma área circular com 7m de diâmetro em superfície plana e assegurar a alimentação eléctrica caso não se opte pela instalação de painéis solares (UNDERCOVER S.L, 2005) Vantagens e limitações Este sistema apresenta as seguintes vantagens: Permite guardar de forma segura e cómoda uma bicicleta de qualquer tamanho e todo o equipamento associado ao seu uso; Pode ser instalado de forma permanente ou temporária sem necessitar de trabalhos especializados de construção civil para a sua instalação; Pode funcionar de forma totalmente autónoma com recurso a energias renováveis e comunicações sem fios; Pode ser facilmente integrado na paisagem, decorado com publicidade ou até parcialmente enterrado, ou instalado no interior de um edifício (nesse caso apenas o equipamento mecânico é instalado); O sistema é bastante rápido a responder, bastando 10 segundos para devolver a bicicleta. E as seguintes limitações: Não permite ampliação, sendo a sua capacidade fixa; Apenas pode ser instalado a superfície, ocupando assim algum espaço na via pública Cycle Tree Multi-Level Mechanical Bicycle Parking System Este sistema criado pela JFE Engineering Corporation permite armazenar de forma totalmente automática uma grande quantidade de bicicletas num espaço reduzido. Este foi desenvolvido no Japão e garante-nos a segurança da bicicleta contra pessoas e intempéries Descrição O Cycle Tree (ilustrado na Figura 2.7) é composto por um enorme silo subterrâneo, constituído por pequenas calhas dispostas de forma radial em relação ao eixo do silo (Figura 2.8 ponto A). Essas calhas foram desenvolvidas de modo a permitirem estabilizar as bicicletas, através de um encaixe próprio para as rodas. No centro do silo alinhado com o eixo vertical existe um robô (Figura 2.8 no ponto B) que se desloca axialmente e roda sobre o seu próprio eixo para arrumar as bicicletas nas 10
31 calhas. Esse robô possui umas garras para segurar a bicicleta e um braço extensível para colocar a bicicleta ao longo das calhas radiais dispostas no silo. Neste sistema o silo é construído a medida do local a instalar e de acordo com a capacidade requerida (JFE Engineering Corporation, 2009). O controlo de acessos é feito por meio de um cartão magnético e uma etiqueta de RFID colocada na bicicleta quando é feito o registo no sistema. A segurança do utilizador é garantida pelos sensores que detectam a presença de pessoas junto a zona de recepção (JFE Engineering Corporation, 2009). Na Figura 2.9 pode-se observar um parque de bicicletas na estação Kasai em Tóquio. Tendo uma capacidade total para 6480 bicicletas, é composto por 36 silos com a capacidade de 180 bicicletas cada. É considerado actualmente o maior parque automático subterrâneo de bicicletas do mundo e iniciou o seu funcionamento no ano 2008 (JFE Engineering Corporation, 2009). Figura Aspecto da zona de recepção e entrega das bicicletas (JFE Engineering Corporation, 2009). B A Figura Vista do interior de um silo do sistema Cycle Tree. No ponto A podemos observar as calhas onde são guardadas as bicicletas, e no ponto B o respectivo robô (JFE Engineering Corporation, 2009). 11
32 Figura 2.9 -Parque de bicicletas na estação Kasai em Tóquio (JFE Engineering Corporation, 2009) Funcionamento O funcionamento do sistema por parte do utilizador é simples e compreende os seguintes passos: Armazenar a bicicleta: a) Colocar a bicicleta na zona de recepção respectiva; b) Pressionar o botão de entrada, a etiqueta de RFID colocada na bicicleta é reconhecida pelo sistema e está associada ao cartão magnético do utilizador; c) A bicicleta é automaticamente armazenada pelo sistema. Levantar a bicicleta: d) Colocar o cartão magnético no leitor; e) Aguardar que a bicicleta chegue a zona de recepção; f) Retirar a bicicleta do local de recepção Vantagens e limitações Este sistema apresenta as seguintes vantagens: Permite uma grande capacidade de armazenamento; Não ocupa muito espaço a superfície, uma vez que o silo de armazenamento é subterrâneo; A identificação da bicicleta permite simplificar o processo de entrega e devolução, tornando o sistema mais fácil de usar; O sistema é modular e configurável de acordo com as necessidades. E as seguintes limitações: Só permite armazenar a bicicleta, ficando os acessórios como o capacete, por exemplo, a guarda do utilizador; Requer trabalhos especializados de construção civil para sua instalação. 12
33 Automação e controlo de um sistema de armazenamento de bicicletas Bikedispenser O alemão Luud Schimmelpennink criou em 1968 o conceito do uso de bicicletas para transporte público. Assim foram desenvolvidos vários sistemas para partilha de bicicletas (bike-sharing). (bike O sistema mais recente é o Bikedispenser ((Figura 2.10). ). Este permite guardar as bicicletas em regime de bike-sharing sharing de forma segura, protegidas das intempéries e dos actos de vandalismo (Bikedispenser, 2009). Figura Vista exterior do sistema Bikedispenser (Bikedispenser, 2009) O fabricante não dispõe de muita informação sobre o funcionamento do equipamento, no entanto dispõe de informação sobre os diversos modelos existentes e respectivas configurações. O sistema Bikedispenser pode ter uma capacidade de 20, 35 ou 50 bicicletas e pode assumir diversas configurações, como ilustrado na Figura O sistema só funciona com um modelo de bicicletas construídas de acordo com especificações próprias (Bikedispenser, 2009). a) Subterrâneo b) Elevado c) Embutido d) Misto e) Normal Figura Diversas configurações do sistema Bikedispenser (Bikedispenser, 2009) 13
34 Vantagens e limitações Este sistema apresenta as seguintes vantagens: Permite diversas configurações e capacidades; O espaço condensado permite armazenar uma grande capacidade de bicicletas num espaço reduzido. E as seguintes limitações: É um sistema de bike-sharing; Apenas pode ser usado uma bicicleta construída de acordo com especificações próprias, o que inviabiliza o uso do sistema como um parque. A automação de todos os sistemas acima descritos é feita com recurso a tecnologias já existentes e usadas há alguns anos noutros sectores, como por exemplo na logística e distribuição. Na realidade a maioria dos parque de armazenamento automático apresentados nada mais são do que um armazém automático construído especificamente para bicicletas. No subcapítulo seguinte será feita uma abordagem ao tema dos armazéns inteligentes, nomeadamente a descrição sucinta do seu funcionamento Armazéns Inteligentes Hoje em dia, a logística e distribuição têm um papel muito importante junto da produção e da comercialização dos bens. Tal facto advém da necessidade cada vez maior de movimentar os bens da produção para o seu destino final no menor tempo e custos possível. Tal necessidade muitas vezes é satisfeita com recurso às grandes centrais de distribuição. Essas centrais são imprescindíveis na cadeia de distribuição, pois permitem o agrupamento dos produtos oriundos de diferentes fontes (locais de produção) num só local, para posterior distribuição aos clientes ou retalhistas. A optimização e redução dos custos destas grandes centrais obriga muitas vezes as empresas a recorrerem a armazéns inteligentes (automated storage and retrieval systems (AS/RS)). Estes são sistemas que permitem o armazenamento e a recolha dos bens de forma totalmente automática. São controlados por computador e recorrem a unidades de armazenamento padrão (caixas ou paletes) facilmente armazenadas com recurso a um robô transelevador, como ilustrado na Figura 2.12 (Rushton, Oxley, & Croucher, 2000). 14
35 Figura Armazém inteligente, com destaque para o robô transelevador (MECALUX, 2010) Funcionamento O funcionamento dos armazéns inteligentes baseia-se num robô transelevador central. Este robô é constituído por um elevador colocado entre duas estantes, com capacidade de retirar e colocar as caixas de forma totalmente automática, como ilustrado na Figura 2.13 a). O robô transelevador encarrega-se de armazenar e retirar as caixas das estantes e coloca-las na cabeceira do armazém, executando dois movimentos: em comprimento, ao longo do corredor guiado por um carril; e na vertical, ao fim de colocar as caixas nos diferentes níveis. A colocação da caixa nas estantes é feita com recurso a um sistema de extracção lateral, como ilustrado na figura Figura 2.13 b). Neste sistema um tapete rolante montado no elevador permite arrastar a caixa de cima da estante para o elevador central (movimento transversal). O sistema é controlado por computador de forma totalmente automática e está ligado com a base de dados para a gestão dos stocks, das entradas e das saídas. Um artigo registado na base de dados corresponde a uma determinada posição na estante. O controlador usa essa informação para dar ordens ao robô transelevador para movimentar a respectiva caixa do local onde está armazenada até à cabeceira do armazém ou vice-versa (MECALUX, 2010) (Rushton, Oxley, & Croucher, 2000). 15
36 a) b) Figura Robô transelevador (a) e sistema de extracção lateral (b) O estudo dos sistemas de armazenamento inteligente servirá de inspiração para a proposta de um modelo para um protótipo do sistema de armazenamento de bicicletas. E é relativamente fácil adoptar a tecnologia existente nos armazéns inteligentes para os transformar em parques automáticos de bicicletas. Uma alteração possível é, por exemplo, a troca das caixas padronizadas, vulgarmente usadas, por caixas com dimensões e características adaptadas a colocação de uma bicicleta tal como existe no sistema biceberg ou B-igloo Conclusão Em síntese, é possível observar que cada sistema tem as suas vantagens e limitações (resumidas na Tabela 2.1). Dependendo da utilização pretendida assim é possível ter uma solução que melhor se adequa às necessidades de utilização e do espaço disponível. É de notar que temos dois tipos de utilização distintos. Temos os sistemas que podem funcionar como parque, em que as bicicletas são propriedade do utilizador e podem ter diversas configurações. E os sistemas de bike-sharing, em que as bicicletas são propriedade do promotor e são todas do mesmo modelo ou com especificações próprias. Os sistemas que funcionam exclusivamente em regime de bike-sharing apresentam vantagens no espaço ocupado, porque este está optimizado em função das dimensões da bicicleta (Como demonstrado na Tabela 2.1 para o sistema Bikedispenser). 16
37 Tabela Quadro síntese das características dos equipamentos estudados Biceberg B-igloo Cycle Tree Bikedispenser Capacidade 23 a Variável 1 20 a 50 Configuração Subterrâneo ou instalado numa cave Superfície ou instalado numa cave Subterrâneo Subterrâneo Elevado Misto Superficial Embutido Utilidade Parque e bike-sharing Parque e bikesharing Parque Bike-sharing Instalação Requer escavação e construção de estrutura em betão Requer uma superfície plana de 7m de diâmetro Requer a construção de um silo no solo Pode ser instalado à superfície. Relação Volume Ocupado vs. Razoável Razoável Boa Muito Boa Capacidade 2 Capacidade de guardar outros objectos Sim Sim Não Não Outra característica que pode claramente diferenciar os sistemas é a capacidade de guardar outros objectos juntamente com a bicicleta. Neste ponto o sistema Biceberg e o B-igloo apresentam larga vantagem. Quanto à capacidade, esta é variável em todos os sistemas menos no B-igloo, que está limitado a 24 bicicletas. O sistema Cycle Tree, é construído quase a medida do local a instalar e por isso a sua capacidade pode ser configurada de diversas formas. O sistema b-igloo apresenta a vantagem de poder ser instalado de forma temporária e autónoma (com recurso a energias renováveis). Quanto à instalação, os sistemas B-igloo e o Bikedispenser podem ser instalados à superfície não necessitando de trabalhos de construção civil. Os restantes sistemas requerem trabalhos especializados de construção civil o que pode encarecer a sua instalação. Os armazéns inteligentes possuem tecnologia desenvolvida há vários anos que pode servir de inspiração ao desenvolvimento de um sistema de armazenamento automático de bicicletas. A proposta a apresentar no capítulo seguinte terá em consideração as características, vantagens e limitações dos sistemas estudados neste capítulo, assim como o funcionamento dos armazéns inteligentes também estudados neste capítulo. 1 A capacidade depende da configuração usada na altura da construção. Configurações típicas são por exemplo: Conjuntos de 18x10 e 21x16 (bicicletas x níveis). 2 Apreciação meramente qualitativa. 17
39 Capítulo 3 SISTEMA PROPOSTO PARA ARMAZENAMENTO AUTOMÁTICO DE BICICLETAS 3.1. Introdução Neste capítulo é apresentada uma proposta para o parque automático de bicicletas. A proposta aqui apresentada vai servir de base para o projecto de automação e controlo do respectivo parque. Para o desenvolvimento de uma proposta válida é necessário, em primeiro lugar, estudar as características de projecto como: lotação; capacidade de resposta; tipo de instalação; locais a instalar; etc. Depois do estudo das necessidades, poder-se-á então criar um modelo simplificado da estrutura do sistema, uma vez que não existe um modelo real que possa servir de base de trabalho. O projecto estrutural do sistema sai fora do âmbito deste trabalho e portanto não será apresentado. No entanto, a proposta aqui apresentada poderá servir de base para um futuro projecto estrutural do equipamento Análise das Necessidades Objectivo do Sistema O sistema, desenvolvido no âmbito deste trabalho, tem como objectivo o parqueamento automático de bicicletas. Ao utilizador cabe apenas identificar-se perante o sistema e seguir as instruções assinaladas para a correcta recepção da bicicleta dentro do equipamento. Depois de ser feita a entrega da bicicleta, no equipamento, esta é guardada de forma totalmente automática e sem intervenção por parte do utilizador. 19
40 Requisitos do sistema O projecto de um sistema mecânico inicia-se pela definição do seu objectivo. Depois de definido o objectivo, descrito no parágrafo anterior, torna-se importante definir o conjunto de características a impor ao equipamento ou seja os requisitos do seu projecto. Para o desenvolvimento deste equipamento foram definidos os seguintes requisitos: a) Permitir guardar qualquer tipo de bicicletas tais como: bicicletas de estrada; de montanha; desportivas e eléctricas. b) Deverá permitir guardar objectos pessoais junto à bicicleta tais como: capacete; mochila; joelheiras; sacos de compras; etc. c) As bicicletas e os bens deverão ficar armazenados em segurança e sem acesso do exterior. Ficarão assim protegidos, quer de actos de vandalismo, quer de intempéries; d) A entrega/recolha da bicicleta deverá ser feita de forma totalmente automática e sem intervenção do utilizador; e) A segurança do utilizador e dos bens guardados dentro do equipamento, deverá ser assegurada. Para isso o sistema não poderá permitir a entrada de pessoas e animais dentro do equipamento. As portas não poderão fechar caso haja algo a impedir o seu fecho. A pressão máxima de fecho das portas também deverá ser limitada para evitar acidentes; f) O custo de armazenamento deverá ser contabilizado de acordo com o tempo em que a bicicleta esteve armazenada no sistema. A gestão dos utilizadores poderá ser feita com recurso a um cartão de identificação por utilizador; g) Será privilegiado um sistema modular, facilmente expansível e facilmente adaptável as condições existentes; Utilizações Tipo e Locais de Instalação Um equipamento deste tipo terá como público-alvo qualquer pessoa capacitada para utilizar uma bicicleta. No entanto, podemos considerar algumas utilizações tipo e estudar as suas necessidades. Convém referir que estas utilizações tipo apenas têm em consideração os factores previsíveis para cada caso. A correcta escolha de um equipamento deverá contemplar estudos de viabilidade financeira, o que sai fora do âmbito deste trabalho. 20
41 As utilizações tipo consideradas são as seguintes: a) Complemento aos transportes públicos: Estudantes ou trabalhadores, que se deslocam de casa para a escola ou local de trabalho e utilizam o sistema para guardar a bicicleta durante esse tempo. Neste caso, os locais preferíveis para a instalação deste género de equipamento são as estações de comboio, metro, autocarros e estacionamentos públicos. Em qualquer uma destas situações a bicicleta serve de complemento aos transportes públicos. Por exemplo, a Gare do Oriente em Lisboa, conta com ligação ao metro, comboio, autocarros e ciclo vias. Torna-se assim um local privilegiado para a instalação deste tipo de equipamento. As características principais a considerar nesta utilização tipo são: a lotação total; a capacidade de resposta; a disponibilidade; e o plano de preços. A lotação total deverá ser elevada por se tratar de um local de grande afluência ao público e o tempo de utilização médio deverá ser longo (um dia de trabalho normal). A capacidade de resposta deverá contemplar vários acessos em simultâneo para compensar os picos de utilização como as horas de ponta. A utilização de equipamentos em duplicado, permitirá não só garantir uma maior capacidade de resposta como aumentar a disponibilidade do serviço durante as operações de manutenção ou em caso de avaria. Quanto ao plano de preços, este deve ter em consideração longas utilizações durante vários dias seguidas. b) Locais públicos: Locais públicos com mais ou menos afluência ao público e que permitam o seu acesso por bicicleta, tais como escolas, zonas históricas, parques desportivos, centros comerciais, serviços públicos, zonas de lazer, cinemas, teatros, etc. A principal característica desta utilização tipo é a variação da lotação que depende do local. Sendo que para grande parte dos casos a lotação será de pequena/média 3 dimensão. Apenas um estudo estatístico e de viabilidade permitirá definir a lotação adequada ao local. Esses estudos saem fora do âmbito deste trabalho. 3 Apreciação meramente qualitativa. 21
42 A capacidade de resposta para a generalidade dos casos não será relevante uma vez que não existirão tantos problemas de picos de utilização, como no caso do dos transportes públicos. O plano de preços a adoptar poderá ser adaptado consoante o local, sendo mais comum as utilizações pontuais Proposta do sistema A necessidade de criar um sistema modular e adaptável ao local a instalar, de forma a cumprir o requisito g) do subcapítulo 3.2.2, obriga a que não exista apenas uma solução possível, mas sim um conjunto de soluções possíveis tendo em conta a utilização tipo. Ou seja, será necessário projectar um sistema modular. A forma mais fácil de conseguirmos a modularidade necessária é recorrendo a componentes padrão que podem ser adicionados ou removidos consoante a necessidade e o local onde pretendemos instalar o equipamento. Assim, para este trabalho, são propostos os seguintes componentes que, em conjunto e devidamente combinados constituirão o equipamento final: Unidades de armazenamento (UA) Uma unidade de armazenamento corresponderá ao espaço, em forma de paralelepípedo, onde vai ficar guardada a bicicleta e os respectivos bens do utilizador. O número total de unidades de armazenamento corresponderá a lotação máxima do equipamento. Ver capítulo 3.3.1; Módulos de armazenamento (MA) Um módulo de armazenamento será a estrutura na qual as unidades de armazenamento irão ser guardadas. Cada módulo de armazenamento contemplado na proposta correspondente a 3 UA. Um equipamento será composto por n módulos de armazenamento. Estes poderão ser agrupados em diferentes configurações. Vários exemplos de configurações podem ser visualizados na Figura 3.1. Ver capítulo 3.3.2; Robô manipulador; O robô manipulador é o componente encarregue de movimentar a unidade de armazenamento entre zona de recepção e a zona de armazenamento, ou seja, transporta as UA. Este permitirá um acesso temporário a UA através da zona de entrega/devolução. Basicamente terá duas funções: Mover a UA desde a posição onde está 22
43 armazenada até a zona de entrega/devolução e voltar a coloca-la na mesma posição após o utilizador terminar o processo. Ver capítulo 3.3.3; Módulo de entrega/devolução. Neste módulo será feita a correspondência entre o utilizador e o equipamento. É a única zona a que o utilizador terá acesso do exterior, através de uma porta automática. O utilizador ficará com acesso directo ao interior da unidade de armazenagem, permitindo-o aceder à bicicleta e os seus bens. Ver capítulo 3.3.4; Figura Exemplos de configurações possíveis do sistema de armazenamento Unidade de Armazenamento A unidade de armazenamento (UA) pode ser caracterizada por uma caixa onde a bicicleta e os respectivos acessórios vão ser guardados. O interior desta corresponderá ao espaço alugado ao utilizador para guardar a bicicleta. O utilizador apenas terá acesso ao interior da UA através da zona de entrega/devolução. 23
44 Esta unidade deverá ser construída num material leve e resistente o suficiente que a torne facilmente transportável e com capacidade de suportar as diferentes solicitações a que vai estar sujeita. A unidade de armazenamento deverá possuir as seguintes características: Uma abertura frontal com dimensões iguais as dimensões interiores da caixa, tal como ilustrado na Figura 3.2; Figura Exemplo ilustrativo de uma unidade de armazenamento. As dimensões interiores deverão permitir a colocação de uma bicicleta de dimensões médias 4 ; O fundo da caixa deverá ser ligeiramente inclinado para dentro, e deverá ter uma ranhura disposta em todo o comprimento da caixa, ao centro, com largura suficiente para estabilizar a bicicleta na caixa (visível no pormenor A, da Figura 3.2); A UA deverá ficar apoiada na estrutura dos módulos de armazenamento usando um sistema de carris e rodízios. Deste modo teremos a possibilidade de retirar e colocar facilmente a UA na estrutura, ou seja nos módulos de armazenamento. Os pormenores construtivos dos carris e dos rodízios saem fora do âmbito deste trabalho, no entanto para o projecto de automação assume-se que a caixa entra no módulo de armazenamento na 4 Considera-se uma bicicleta de BTT de roda
45 horizontal e a fixação é feita por um sistema automático de mola sem necessitar de qualquer accionamento comandado. Como referência de projecto, assume-se que a UA terá as seguintes dimensões: a=1100 mm; b=700 mm; c=2000 mm (Figura 3.2). (as dimensões não são relevantes para o projecto de automação e controlo, por isso, estas medidas são meramente indicativas e assumidas de acordo com uma bicicleta comum); Assume-se que o peso máximo que a UA poderá armazenar é 50 kg. Este valor tem em consideração que uma bicicleta comum e eléctrica pesa aproximadamente 15 kg e 25 kg, respectivamente. Assim garantimos uma margem de 25 kg para os acessórios. A definição do peso máximo da UA será importante para o dimensionamento dos motores e dos actuadores; Um detalhe a ter em consideração no projecto estrutural da UA, é o facto de que esta deverá possibilitar o encaixe de ambos os lados. Ou seja, com a abertura para o robô ou vice-versa. Este detalhe possibilitará maior flexibilidade na configuração da zona de entrega/devolução, pois não será prevista a possibilidade de rodar a UA durante a sua movimentação (em relação a um eixo vertical que passa no centro da mesma); Para o dimensionamento do robô manipulador é assumido para o peso próprio da UA, 35Kg. Considerou-se, como referência para o peso, uma caixa palete fabricada em HDPE (high density polyethylene), com aproximadamente 550 litros de volume e com capacidade até 1000 kg de carga (Schoeller Arca Systems, 2011) e com um peso próprio de 35 kg. Como necessitamos de mais volume (1500 litros), mas apenas 50 kg de carga, adoptamos este valor como uma referência aproximada; Apenas um estudo estrutural aprofundado permitirá determinar o peso correcto da UA. Esse estudo, assim como a escolha do material de construção, e os detalhes construtivos saem fora do âmbito deste trabalho Módulos de Armazenamento Uma das características mais importantes num equipamento deste tipo é o facto de ser um sistema modular. Torna-se assim importante projectar uma estrutura que permita a sua adaptação as necessidades existentes e permita futuras ampliações. 25
46 A solução proposta para este projecto consiste no conceito de módulos agrupáveis os módulos de armazenamento (MA). Cada módulo de armazenamento permitirá acolher três UA. Os módulos poderão ser agrupados lado a lado e empilhados em vários níveis. Cada módulo será constituído por uma estrutura metálica de suporte e um sistema de carris que servirão de suporte para as UA. Um exemplo de um módulo de armazenamento pode ser observado na Figura 3.3. Assim assume-se, para o projecto de automação e controlo o seguinte: 1) A unidade de armazenamento é introduzida na horizontal dentro do MA; 2) O movimento entre a UA e o MA será garantido por meio de rodízios fixados na própria UA; 3) No módulo de armazenamento, e em cada posição de cada UA, existirá um sistema de trinco com mola que terá como função fixar a UA ao MA. A força exercida pelo robô deverá ser suficiente para superar a força exercida pelo trinco. No entanto a força exercida pelo trinco deverá ser suficiente para garantir que apenas o robô fará o mesmo abrir. A capacidade do sistema a ser adaptado para a local, e a lotação necessária, é conseguida com o recurso a agrupamento de diversos MA. A disposição e o número de destes depende da lotação necessária, do espaço disponível e do número de zonas de recepção/entrega desejados. Vários exemplos de configurações possíveis estão ilustrados na Figura 3.1. A configuração adoptada como modelo neste trabalho é a ilustrada na alínea a) da mesma figura. Figura Exemplo de um módulo de armazenamento. 26
47 A escolha de uma estrutura composta por módulos agrupáveis apresentará as seguintes vantagens: Sistema modular: as caixas podem ser dispostas em diversas configurações de acordo com as necessidades; Montagem e transporte facilitada: os módulos podem ser facilmente transportados em veículos de pequenas dimensões, característica importante em zonas históricos por exemplo. A montagem também é facilitada pois os módulos dispõem de encaixes próprios, sendo um processo bastante simples e rápido. Fabrico em série: o fabrico em série de módulos reduz os custos de produção, de armazenamento e transporte, pois todos os módulos são iguais. Estrutura leve: cada módulo pode ser construído num material leve (perfil de aço galvanizado por exemplo) mas suficientemente robusto para suportar o peso dos módulos instalados nos níveis superiores. Uma possível desvantagem encontrada na solução adoptada é a maior probabilidade de haver erros de alinhamento, folgas, ou desvios que podem dificultar, ou mesmo impossibilitar o funcionamento correcto do robô manipulador. Para minimizar esta questão poder-se-á adoptar uma base sólida e a mais plana possível, encaixes nos módulos que evitam os erros de alinhamento e sistemas de fixação que reduzam a probabilidade de falhas Robô Manipulador O robô manipulador terá como função movimentar a UA, no interior do equipamento, desde a posição de armazenamento até a zona de recepção/entrega e vice-versa. A movimentação das unidades de armazenamento dentro do sistema será feita segundo os eixos cartesianos em x, y e z. Na Figura 3.4 pode ser visualizada a solução proposta para o robô manipulador. O movimento em xx corresponde ao movimento longitudinal ao longo da estrutura, e está representado na Figura 3.4 pelos carris de cor verde. Para o acesso em altura, aos módulos superiores, existirá um elevador, representado na Figura 3.4 a azul (movimento em zz). Por fim a estrutura a laranja, fixa ao elevador, conterá um actuador linear que fará a transladação da UA, do módulo de armazenamento, para a plataforma (movimento em yy). Esta deslizará sobre a plataforma superior do robô com recurso a um conjunto de rodízios e carris. Uma vez que a UA se encontre 27
48 devidamente colocada na plataforma superior do robô, o movimento em zz e em xx permitirá transportar a UA para a zona de entrega/devolução, onde o utilizador possa ter acesso ao seu interior. Figura Caracterização dos componentes do robô manipulador. (1- Módulo de armazenagem, 2- Unidade de armazenamento, 3- Elevador, 4- Plataforma superior, 5- Carris principais, 6- Plataforma inferior) Nos subcapítulos seguintes serão apresentados os componentes constituintes do robô. No capítulo seguinte será feita um dimensionamento simplificado da estrutura do robô para uma pré-selecção dos componentes a usar nos actuadores lineares Carris principais de movimento do robô (base do robô): Estes carris possibilitarão o movimento de todo o robô segundo o eixo dos xx. O comprimento destes carris depende da configuração dos módulos adoptada. Deverá ser adoptada uma tecnologia que possibilite o movimento linear sem limitações de comprimento e que simultaneamente garanta uma precisão suficiente para garantir o correcto alinhamento da plataforma superior com a UA. 28
49 Elevador: O elevador terá como função garantir o movimento do robô segundo o eixo zz. Este movimento possibilitará o acesso às unidades de armazenamento dos níveis superiores. O movimento de subida e descida faz-se por meio de dois ou mais actuadores lineares. A tecnologia adoptada para os actuadores lineares deverá garantir uma capacidade de carga e uma precisão suficiente para o correcto alinhamento entre a plataforma superior e a UA Plataforma superior: A plataforma superior servirá de suporte à UA de armazenamento durante o seu transporte. Além disso terá a função de movimentar a UA segundo o eixo yy. Este movimento permite a deslocação da UA desde o MA até a plataforma do robô e vice-versa. Esta deverá ser composta por uma estrutura metálica e um actuador linear que permitirá o movimento da UA na plataforma. A estrutura servirá de fixação entre o elevador e o actuador linear, e ao mesmo tempo suportará o peso da UA. Existirá um elemento de bloqueio ( trinco ) comandado electricamente que permitirá fixar a UA ao actuador linear de modo a permitir o seu deslocamento ao longo da plataforma. Em determinadas configurações, a plataforma poderá funcionar nos dois sentidos. Isto significa que, no caso de se optar por duas zonas de armazenamento (em que o robô manipulador localiza-se no meio das duas), a plataforma conseguirá deslocar as UA localizadas no lado direito e lado esquerdo (observando-se o robô na direcção do eixo dos xx). Um exemplo prático, é a configuração adoptada neste projecto. O pormenor da fixação do actuador à UA, bem como os carris que suportarão o peso proveniente dos rodízios existentes nas UA, saem fora do âmbito deste projecto. Para o projecto de automação e controlo serão considerados os seguintes pontos: 1) O elemento de bloqueio da UA ao actuador linear da plataforma deverá ter uma configuração que permita o funcionamento para ambos os lados. 2) O robô só deverá iniciar o movimento da UA, se e só se o elemento de bloqueio estiver devidamente actuado. 29
50 Módulo de entrega/devolução Este é o módulo encarregue de disponibilizar ao utilizador acesso directo ao interior da unidade de armazenamento. Do ponto de vista do utilizador apenas existirá uma porta que abrirá automaticamente quando for iniciado o processo de entrega, ou recolha da bicicleta. No entanto este módulo terá também a função de verificar se o material guardado dentro da UA cumpre com as regras de utilização. Ou seja, o módulo terá de verificar o peso da UA e verificar o conteúdo presente no interior da mesma com recurso a sistema de visão artificial. O módulo de recepção/entrega terá uma configuração semelhante ao representado na Figura 3.5. Este será composto pelos seguintes componentes: Portas automáticas: As portas automáticas garantirão a segurança do utilizador e do equipamento, ao limitarem o acesso a interior do mesmo. Apenas quando a UA se encontrar pronta para ser utilizada é que as portas automáticas deverão abrir. O fecho das mesmas deverá ser comandado por ordem do utilizador, e só deverão fechar depois de se verificar o conteúdo da UA. Além disso a força de fecho deverá ser limitada por sensores de pressão, como medida de segurança para o utilizador. Células de carga: As células de carga servirão para verificar se a carga colocada no interior da UA, está dentro do valor limite admitido pelo robô. Caso a carga seja superior à admitida, o sistema emite um aviso ao utilizador e impede a utilização do mesmo, até ser retirado o peso em excesso, para evitar danificar a estrutura do robô. Sistema de visão artificial: Esta servirá basicamente para verificar a presença de seres vivos dentro da UA. Assim é garantida a segurança dos utilizadores e do próprio equipamento e serão evitados acidentes. Interface com o utilizador: A interface com o utilizador deverá ser colocada junto à porta automática. Esta permitirá ao utilizador identificar-se perante o sistema, e acompanhar o processo de entrega/recolha da sua bicicleta. Poderá ainda informar o utilizador sobre o custo do parqueamento, ou o número de créditos disponíveis. A identificação do 30
51 utilizador poderá ser feita com recurso a um sistema de leitura de cartões magnéticos ou RFID. Figura Localização da zona de recepção/entrega (1- Módulo de Recepção/Entrega, 2- Porta automática de acesso a UA, 3- Interface de comunicação com o utilizador) Configuração adoptada Para a realização do projecto de automação e controlo necessitamos em primeiro lugar de um modelo de trabalho. É esse modelo que irá possibilitar o desenvolvimento de uma lógica funcional, na qual se baseia todo o projecto de automação e controlo. Assim, como base de trabalho para o projecto de automação e controlo, assumir-se-á a seguinte configuração: Duas zonas de armazenamento Figura 3.6; Cada zona de armazenamento será composta por 4 módulos agrupados dois lado a lado em dois níveis (2x2), o que perfaz um total de 24 unidades de armazenamento Figura 3.7; O robô ficará localizado entre as duas zonas de armazenagem - Figura 3.8; A zona de entrega/devolução localiza-se entre as duas zonas de armazenamento (Esta terá a configuração semelhante a ilustrada na Figura 3.5). 31
52 Figura 3.6 Configuração da estrutura adoptada - Vista em planta. Figura Configuração da estrutura adoptada - Corte AA. 32
53 Figura Configuração da estrutura adoptada - Corte BB. A configuração adoptada apresenta as seguintes vantagens: Optimização do funcionamento do robô. O mesmo robô actuará sobre duas zonas zona de armazenamento 1 e 2; Estrutura facilmente expansível. Adicionando-se mais módulos aos existentes conseguir-se-á um aumento da capacidade; A adopção de um sistema de apenas 3 eixos, em que a UA é sempre deslocada com a mesma orientação. Esta medida permite baixar o custo e a complexidade do equipamento, essencial para garantir a viabilidade económica do mesmo. O modelo adoptado permite uma configuração compacta, simples e económica. Tem uma lotação de pequena/média 5 dimensão, adequada para locais como parques desportivos ou escolas. E as seguintes limitações: A impossibilidade do robô rodar sobre o eixo zz torna necessária a existência de uma zona de entrega/devolução sobressaída da estrutura principal, tal como ilustrado na Figura 3.5. Implica também a organização das UAs de forma a que a abertura fique sempre orientada para a porta da zona de entrega/devolução. 5 Apreciação meramente qualitativa. 33