1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
´ ¸ ˜
PROGRAMA DE POS-GRADUACAO EM ENGENHARIA
´
ELETRICA
´ ´
CURSO DE ROBOTICA MOVEL
PROF. EDSON ROBERTO DE PIERI
Florianopolis, Marco de 2002.
´ ¸

2. Sum´ rio
a
1 Introdu¸ ao
c˜ 1
1.1 Historico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 1
1.2 Robo Movel: uma definicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ ´ ¸˜ 5
1.3 Classificacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 6
1.3.1 Segundo a Anatomia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Segundo o Tipo de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Segundo a Funcionalidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Desafios em Robotica Movel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ ´ 12
1.4.1 Navegacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 12
1.4.2 Reconhecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.3 Aprendizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.4 Cooperacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 13
1.4.5 Cognicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 13
1.5 Exerc´cios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ı 13
2 Sensores 15
2.1 Definicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 17
2.2 Classificacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 17
2.3 Crit´ rios para Avaliacao de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
e ¸˜ 19
2.3.1 Sensibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 Linearidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.3 Faixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.4 Tempo de resposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.5 Precis˜ o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 20
2.3.6 Repetibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
ii

3. 2.3.7 Resolucao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 20
2.3.8 Tipo de Sa´da . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ı 20
2.4 Sensores Internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1 Dead Reckoning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Sensores Externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.1 Sensores de Proximidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.2 Sensores de Distˆ ncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 39
2.5.3 Sensores de Tato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.4 Sensores de Deslizamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.5 Sensores de Forca e Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸ 47
2.6 Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7 Exerc´cios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ı 49
3 Atuadores 50
3.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 50
3.2 Tipos de Atuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.1 Pneum´ ticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 52
3.2.2 Hidr´ ulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 54
3.2.3 El´ tricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
e 54
3.2.4 Outras tecnologias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Exerc´cios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ı 65
4 Controle 66
4.1 Cinem´ tica do Robo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a ˆ 66
4.1.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 66
4.1.2 Cinem´ tica Direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 66
4.1.3 Cinem´ tica Inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 70
4.2 Dinˆ mica do Robo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a ˆ 73
4.3 Controle Cinem´ tico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 76
4.3.1 Funcoes do controle cinem´ tico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ a 76
4.3.2 Tipos de trajetorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 78
4.3.3 Geracao de trajetorias cartesianas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ ´ 80
4.3.4 Interpolacao de trajetorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ ´ 80
iii

4. 4.3.5 Amostragem de trajetorias cartesianas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 81
4.4 Controle Dinˆ mico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 82
4.4.1 Controle Monoarticular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.2 Controle PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.3 Controle PID com pr´ -alimentacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
e ¸˜ 84
4.4.4 Controle Adaptativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Exerc´cios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ı 86
5 Arquitetura de Robos Moveis
ˆ ´ 87
5.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 87
5.2 Definicoes e Classificacoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ ¸˜ 87
5.2.1 Arquiteturas Centralizadas e Distribu´das . . . . . . . . . . . . . . . . .
ı 88
5.2.2 Arquiteturas Reativas, Deliberativas e H´bridas . . . . . . . . . . . . .
ı 90
5.2.3 Arquiteturas baseadas em comportamento e arquiteuras baseadas em
modulos funcionais
´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3 Exemplos de arquiteturas para robos moveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ ´ 96
5.3.1 Arquitetura de subsuncao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 96
5.3.2 Arquitetura AuRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4 Exerc´cios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
ı
6 Modelagem do Ambiente 103
6.1 Mapas baseados em c´ lulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
e
6.1.1 Modelagem por enumeracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
¸˜
6.1.2 Modelagem por Quadtrees e Octrees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2 Modelo Topologico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
´
6.2.1 Modelo Topologico de Lugares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
´
6.2.2 Modelo Topologico de Marcas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
´
6.3 Exerc´cios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
ı
7 Planejamento de Trajetoria
´ 108
7.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
¸˜
7.2 O Problema B´ sico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
a
7.3 O Espaco de Configuracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
¸ ¸˜
7.4 Abordagens de Planejamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
iv

5. 7.4.1 Abordagem Roadmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.4.2 Decomposicao em C´ lulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
¸˜ e
7.4.3 Campo Potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.5 Extensoes ao Problema B´ sico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
˜ a
7.5.1 Multiplos Objetos Moveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
´ ´
7.5.2 Restricoes Cinem´ ticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
¸˜ a
7.5.3 Incerteza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.5.4 Objetos Mov´veis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
ı
7.6 Complexidade Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.7 Reducao da Complexidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
¸˜
7.7.1 Projecao no espaco de Configuracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
¸˜ ¸ ¸˜
7.7.2 Fatiamento no espaco de Configuracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
¸ ¸˜
7.7.3 Simplificacao da forma do objeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
¸˜
7.7.4 Focalizando a Atencao em um Subconjunto do Espaco de Trabalho . . 122
¸˜ ¸
7.8 Relacionamento com outros problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.8.1 Interacao com Controle de Movimento em Tempo Real . . . . . . . . . 123
¸˜
7.8.2 Interacao com o Sensoreamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
¸˜
7.8.3 Interacao com o planejamento em n´vel de tarefa . . . . . . . . . . . . . 125
¸˜ ı
8 Gloss´ rio
a 127
v

6. Lista de Figuras
1.1 O primeiro robo movel: Shakey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ ´ 3
1.2 Robos da atualidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ 5
1.3 Ciclo de interacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 6
1.4 Classificacao segundo a anatomia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 6
1.5 Exemplo de robos aqu´ ticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ a 7
1.6 Exemplo de robo com rodas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ 7
1.7 Exemplos de robos com esteiras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ 8
1.8 Exemplos de robos com pernas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ 9
1.9 Classificacao segundo a funcionalidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 9
1.10 Exemplo de robo de servico: aspirador de po . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ ¸ ´ 10
1.11 Exemplo de robo de servico de campo: colheitadeira autonoma . . . . . . . .
ˆ ¸ ˆ 11
1.12 Exemplo de robo de campo: Dante, para exploracao de vulcoes . . . . . . . .
ˆ ¸˜ ˜ 11
1.13 Exemplo de robo pessoal: o c˜ ozinho Aibo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ a 11
2.1 Diferenca entre repetibilidade e acur´ cia. (Fonte: [6]) . . . . . . . . . . . . . .
¸ a 20
2.2 Sensor Potenciometro. (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ 22
2.3 Sensor Sincronizador.(Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Resolvedor (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Sensor LVDT. (Adaptado de [6]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Interruptor otico. (Adaptado de [6]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 27
2.7 Codificador otico incremental(Adapado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 28
2.8 Codificador otico absoluto. (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 29
2.9 Acelerometro(Adaptado de [6]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.10 Sensor t´ ctil passivo.(Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 32
2.11 Sensor ativo em forma de antena. (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . 32
vi

7. 2.12 Amortecedor T´ ctil. (Adaptado de [6]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 33
2.13 Sensor Reed Swithch magn´ tico.(Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . .
e 34
2.14 Sensor de efeito Hall com im˜ permanente (a) linhas de fluxo na ausˆ ncia de
a e
um corpo ferro-magn´ tico nas proximidades do sensor; (b) linhas de fluxo
e
quando h´ um corpo ferro-magn´ tico nas proximidades. (Adaptado de [6]) .
a e 35
2.15 Esquema de um sensor de proximidade por micro-ondas. (Adaptado de [20]) 37
2.16 Sensor otico oposto. (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 38
2.17 Sensor otico retrorefletor. (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 38
2.18 Sensor otico Difuso. (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 39
2.19 Sistemas de triangulacao determinam a distˆ ncia B para o alvo colocado no
¸˜ a
ponto È¿ , medindo os angulos
ˆ e nos pontos Ƚ e Ⱦ .(Adaptado de [20]) . . 40
2.20 Esquema de Triangulacao Ativa.(Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 41
2.21 Esquema de Triangulacao passiva ou triangulacao estereoscopica passiva uti-
¸˜ ¸˜ ´
lizando cˆ meras de v´deo ou sensores oticos ou de micro-ondas.(Adaptado
a ı ´
de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.22 Sensor de tato analogico.(Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 45
2.23 Pele Artificial. (Adaptado de [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1 Grande variedade de dispositivos hidr´ ulicos e pneum´ ticos . . . . . . . . . .
a a 51
3.2 Exemplo de um robo com acionamento pneum´ tico . . . . . . . . . . . . . . .
ˆ a 52
3.3 Outro robo industrial que utiliza o ar comprimido como energia . . . . . . . .
ˆ 52
3.4 Cilindro pneum´ tico em alum´nio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a ı 53
3.5 Outros modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6 Exemplos de pistoes hidr´ ulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
˜ a 54
3.7 Outros modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.8 Motor AC trif´ sico comum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 56
3.9 T´pico motor AC monof´ sico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ı a 56
3.10 Corte parcial de um motor DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.11 Exemplos de motores DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.12 Motor relutˆ ncia vari´ vel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a a 60
3.13 Im˜ permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a 60
3.14 Modelo h´brido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ı 60
3.15 Exemplo de um motor de passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
vii

8. 3.16 Outro modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.17 Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.18 Fibras de um pol´mero eletroativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ı 62
3.19 Prototipo de um robo “alado” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ ˆ 63
3.20 Exemplo de um motor piezoel´ trico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
e 63
4.1 Diagrama de relacao entre cinem´ tica direta e inversa . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ a 67
4.2 Exemplo de um robo planar com dois graus de liberdade . . . . . . . . . . . .
ˆ 68
4.3 Matriz jacobiana direta e inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4 Funcionamento do controle cinem´ tico
a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.5 Atuacao de um controle cinem´ tico em um robo com dois graus de liberdade
¸˜ a ˆ 78
4.6 Diagrama de blocos que representa o comportamento dinˆ mico de uma
a
articulacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 83
4.7 Esquema de algoritmo de controle baseado em PID . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.8 Esquema de algoritmo de controle baseado em PID com pr´ -alimentacao . . .
e ¸˜ 85
5.1 Esquema gen´ rico de uma Arquiteura Reativa . . . . . . . . . . . . . . . . . .
e 91
5.2 Planejamento hier´ rquico usado em arquiteturas deliberativas . . . . . . . . .
a 92
5.3 Um exemplo simples da arquitetura de subsuncao . . . . . . . . . . . . . . . .
¸˜ 99
5.4 Arquitetura h´brida AuRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
ı
6.1 Modelagem por enumeracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
¸˜
6.2 Decomposicao do ambiente utilizando quadtrees . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
¸˜
6.3 Modelo topologico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
´
7.1 O caminho produzido pelo planejador e a entrada para o gerador de
´
trajetoria que determina as dependˆ ncias de tempo dos parˆ metros de
´ e a
configuracao. A sa´da do gerador, as configuracoes desejadas Õ como funcao
¸˜ ı ¸˜ ¸˜
do tempo, alimentam o controlador. O controlador computa a forca
¸ a ser
exercida por cada atuador a partir dos desvios da configuracao atual Õ , con-
¸˜
forme medida pelos sensores, relativa a Õ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
`
8.1 Obtencao de um C-Obst´ culo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
¸˜ a
viii

9. Cap´tulo 1
ı
Introdu¸ ao
c˜
Quando falamos em robos v´ rias imagens de filmes de ficcao cient´fica voltam a mente.
ˆ a ¸˜ ı `
Filmes como o Jornada nas Estrelas e O Exterminador do Futuro nos apresentam um fenotipo
´
do que o desenvolvimento tecnologico visa alcancar: robos com capacidades humanas de
´ ¸ ˆ
aprendizado e racioc´nio.
ı
Ainda estamos longe de criar m´ quinas autonomas, adapt´ veis e inteligentes, mas
a ˆ a
avancos nas areas de inteligˆ ncia artificial e controle e o desenvolvimento de novos tipos
¸ ´ e
de materiais, nos tˆ m permitido o desenvolvimento de robos para os mais variados fins.
e ˆ
1.1 Historico
´
O desejo de construir m´ quinas que imitem os movimentos de seres humanos e animais
a
acompanha as civilizac oes desde a antiguidade. Os eg´pcios constru´am homens mecˆ nicos
¸˜ ¨ ı ı a
em forma de est´ tuas com articulacoes moveis e ajust´ veis. Da Gr´ cia antiga, tem-se a
a ¸˜ ´ a e
descricao de est´ tuas munidas de tubos falantes e a partir do s´ culo IV a.C., marionetes
¸˜ a e
acionadas por sistemas de polias e pesos.
No s´ culo XVI, os ent˜ o chamados autˆ matos, em geral bonecos mecˆ nicos acionadas
e a o a
por sistemas de cordas que imitavam algumas atividades humanas, chamavam a atencao
¸˜
para a possibilidade de descrever a natureza humana. Em 1589, Bernardino Baldi, abade
de Guastalla, publicou um ensaio contendo reflexoes sobre a natureza e potencialidades dos
˜
automatos [38].
ˆ
No s´ culo XVII, marcados pelo pensamento dualista de Descartes com sua c´ lebre frase
e e
Penso, logo existo, muitos filosofos passaram a se questionar sobre os limites do mecanicismo:
´

10. ¸˜
1. Introducao 2
afinal, se automatos eram capazes de descrever a natureza e os animais, seriam adequados
ˆ
para explicar a natureza humana?
A construcao de automatos cresceu no s´ culo XVIII, sendo que alguns se tornaram bas-
¸˜ ˆ e
tante conhecidos, como o pato mecˆ nico de Jacques de Vaucanson, em ½
a ¼ e os trˆ s bonecos
e
- um escriv˜ o, um desenhista e uma tocadora - constru´dos pelos irm˜ os Droz na Su´ca, em
a ı a ı¸
½ ¿¿ [38].
No final do s´ culo XVIII a revolucao industrial e a consequente adocao do modelo me-
e ¸˜ ¨ ¸˜
canicista de Taylor e Fayol proporcionaram a mudanca definitiva das formas de producao,
¸ ¸˜
levando o uso das m´ quinas para a industria: iniciava-se a era da producao em larga escala.
a ´ ¸˜
A palavra robo tem sua origem na palavra tcheca robota, que significa trabalho escravo,
ˆ
mon´ tono e foi utilizada pela primeira vez em ½
o ¾½, pelo dramaturgo Karel Capeck no conto
de ficcao Rossum’s Universal Robots.
¸˜
Em 1936, Charles Chaplin satiriza o processo de automacao pesada em seu filme Tempos
¸˜
Modernos.
Em 1939, Issac Asimov, considerado o pai da robotica, popularizou o termo robo em seu
´ ˆ
livro I Robot, no qual estabelece as famosas trˆ s leis da robotica, que s˜ o:
e ´ a
¯ Um robo jamais deve causar dano a um ser humano nem, atrav´ s de omiss˜ o, permitir
ˆ e a
que isto aconteca.
¸
¯ Um robo deve sempre obedecer o ser humano, a menos que isto entre em conflito com
ˆ
a primeira lei.
¯ Um robo deve proteger-se de danos, a menos que isto entre em conflito com a primeira
ˆ
ou a segunda lei.
Apos a invens˜ o do transistor em ½
´ a , os robos passaram a ser controlados por compu-
ˆ
tadores. A primeira patente para um robo industrial controlado por computador foi registra-
ˆ
da em ½ por George Devol. Devol criou uma memoria computadorizada e um sistema de
´
controle chamado Universal Automation. Mais tarde, co-fundou a companhia de robos indus-
ˆ
triais - UNIMATION. Em ½ ½ o primeiro robo UNIMATE, que usava comando num´ rico
ˆ e
program´ vel, foi instalado na linha de montagem da General Motors: estava iniciada era da
a
automacao industrial.
¸˜
Em ½ ¿, surge o primeiro sistema para vis˜ o de robos. E em ½
a ˆ , o primeiro robo de
ˆ
pintura, cuja trajetoria era treinada e armazenada.
´

11. ¸˜
1. Introducao 3
Os robos moveis surgiram em ½
ˆ ´ carregando conceitos da mecˆ nica e da robotica fixa.
a ´
A princ´pio, com o avanco nas areas de sensores, processamento de imagens e inteligˆ ncia
ı ¸ ´ e
artificial, dotar um robo movel com capacidades para atuar em ambientes dinˆ micos parecia
ˆ ´ a
ser algo simples, por´ m, logo percebeu-se a grande complexidade envolvida no desenvolvi-
e
mento de sistemas moveis que fossem robustos e adapt´ veis.
´ a
Em ½ , Nilsson [34] descreve o primeiro sistema robotico movel que utiliza quadtrees1
´ ´
para representar o ambiente e grafos de visibilidade para o planejamento da trajetoria. Em
´
1972, o robo Shakey - fruto do trabalho de Nilsson na SRI International, hoje Instituto de Pes-
ˆ
quisa de Stanford - foi introduzido como o primeiro robo movel controlado por inteligˆ ncia
ˆ ´ e
artificial.
Figura 1.1: O primeiro robo movel: Shakey
ˆ ´
Problemas relacionados com as questoes de movimentos rotacionais e translacionais tor-
˜
navam cr´tica a modelagem do ambiente. Em ½
ı ¿, Lozano-P´ rez [31] introduziu a id´ ia de
e e
uma “regi˜ o de incerteza”, criada atrav´ s do crescimento dos obst´ culos. Assim, utilizando
a e a
grafos de visibilidade para o planejamento de trajetoria, o robo poderia ser tratado como um
´ ˆ
simples ponto no espaco de configuracao. Este m´ todo foi o primeiro m´ todo exato aplicado
¸ ¸˜ e e
ao problema do planejamento de trajetoria.
´
Ainda em ¿, Brooks [12] introduziu o m´ todo freeway como uma alternativa a modela-
e `
gem do espaco livre e ao planejamento de trajetoria, utilizando o conceito de cones genera-
¸ ´
lizados.
Estes m´ todos, baseados em um mapa do ambiente, chamados de arquiteturas de-
e
liberativas ou planejadas, sofriam s´ rias restricoes com relacao a criacao e manutencao
e ¸˜ ¸˜ ¸˜ ¸˜
do mapa do ambiente. Para minimizar os problemas advindos do mundo real, foram
1
Estrutura em forma de arvore que e gerada atrav´ s da decomposicao de um ambiente bidimensional pelo
´ ´ e ¸˜
refinamento sucessivo das c´ lulas.
e

12. ¸˜
1. Introducao 4
assumidas simplificacoes, como o ambiente est´ tico e totalmente conhecido. Com estas
¸˜ a
simplificacoes, o problema e contornado, mas a aplicacao de robos permanece restrita a
¸˜ ´ ¸˜ ˆ
ambientes imut´ veis.
a
Buscando generalizar as aplicacoes de robos moveis e inspirando-se no comportamento
¸˜ ˆ ´
de insetos, Brooks [13] introduz, em ½ , uma arquitetura reativa, denominada arquitetu-
ra de subsun¸ao (do inglˆ s Subsumption), na qual o robo age baseando-se na leitura de seus
c˜ e ˆ
sensores. Esta arquitetura baseia-se na decomposicao da inteligˆ ncia em comportamentos
¸˜ e
individuais, gerando modulos que coexistem e cooperam para a emergˆ ncia de comporta-
´ e
mentos mais complexos. Esta arquitetura e um marco nas pesquisas de m´ todos reativos e
´ e
ascendeu novamente a esperanca de construir robos moveis aptos a interagir em ambientes
¸ ˆ ´
dinˆ micos.
a
Ainda em , Khatib [30, 27] introduziu o m´ todo dos campos potenciais, no qual o robo
e ˆ
transforma-se em uma part´cula sob a influˆ ncia de campos eletromagn´ ticos, constitu´dos
ı e e ı
pelos obst´ culos e pelo ponto objetivo. Neste mesmo ano a Honda comeca a trabalhar no
a ¸
desenvolvimento de seu robo humanoide (figura 1.8 (b)).
ˆ ´
Entre e , Arkin escreveu v´ rios artigos descrevendo uma arquitetura reativa base-
a
ada em esquemas motores, que mais tarde amadureceu em uma arquitetura h´brida, a qual
ı
denominou AuRA - Autonomous Robot Architecture. Em 89, Arkin [2] compara as abordagens
planejada e reativa e salienta as vantagens da arquitetura h´brida.
ı
Em ½ ¼, Kumpel [28] apresenta um artigo descrevendo o projeto MARIE - Mobile Au-
tonomous Robot in an Industrial Environment. Este projeto integra mapas geom´ tricos e to-
e
pologicos e usa um m´ todo hier´ rquico para navegacao, onde, globalmente, utiliza mapas
´ e a ¸˜
para encontrar o caminho e sensores para desvio local dos obst´ culos.
a
Ainda em ¼, Brooks [14] propoe alguns melhoramentos a arquitetura de subsuncao e
˜ ` ¸˜
apresenta uma s´ rie de robos, desenvolvidos no MIT, que utilizam esta arquitetura.
e ˆ
Dois anos mais tarde, Mataric [33] ressalta a necessidade de alguma representacao do
¸˜
ambiente para dotar o robo de capacidades mais elaboradas do que somente a navegacao
ˆ ¸˜
aleatoria e propoe um m´ todo reativo, mas que utiliza um mapa, constru´do atrav´ s das
´ ˜ e ı e
marcas (landmarks) detectadas no ambiente, dentro de uma arquitetura de subsuncao. O
¸˜
mapa e atualizado sempre que o robo detecta mudancas no ambiente.
´ ˆ ¸
No mesmo ano, Zelinsky [41] propoe um m´ todo simples para mapeamento do ambi-
˜ e
ente em tempo de execucao, utilizando sensores de contato. Por este m´ todo, o ambiente e
¸˜ e ´

13. ¸˜
1. Introducao 5
mapeado em uma quadtree, onde a menor c´ lula tem o tamanho do diˆ metro do robo. O
e a ˆ
caminho e, inicialmente, dado por uma linha reta e durante a execucao desta trajetoria, s˜ o
´ ¸˜ ´ a
obtidas leituras dos sensores utilizadas para atualizar a estrutura da quadtree sobre a qual
o caminho e replanejado.
´
Em 1994, a NASA em conjunto com a Carnegie Mellon University e Observatorio de
´
Vulcoes do Alaska desenvolveram um robo hex´ pode chamado Dante (figura 1.12) para
˜ ˆ a
inspecionar vulcoes ativos, em julho de 1997 o Soujourner (figura 1.2 (b)) toca o solo de
˜
Marte e em janeiro de 2000, a Carnegie Mellon apresenta um robo com quatro rodas para
ˆ
busca de amostras de meteoritos na Ant´ rtica (figura 1.2 (a)). O robo coleta as amostras de
a ˆ
pedras e as classifica utilizando t´ cnicas de inteligˆ ncia artificial.
e e
(a) Robo para busca de
ˆ (b) Sojourner
amostras de meteoritos
na Ant´ rtica
a
Figura 1.2: Robos da atualidade
ˆ
Enfim, nos ultimos ½¼ anos, a robotica movel desenvolveu-se muito e hoje temos os mais
´ ´ ´
variados tipos de robos, para os mais variados tipos de tarefas.
ˆ
1.2 Robo Movel: uma defini¸ ao
ˆ ´ c˜
Um robo movel e um dispositivo mecˆ nico montado sobre uma base n˜ o fixa, que age
ˆ ´ ´ a a
sob o controle de um sistema computacional, equipado com sensores e atuadores que o
permitem interagir com o ambiente [32].
A interacao com o ambiente se d´ atrav´ s de ciclos de percep¸ao-a¸ao que consistem em
¸˜ a e c˜ c˜
trˆ s passos fundamentais:
e
¯ Obtencao de informacoes acerca do ambiente atrav´ s dos sensores;
¸˜ ¸˜ e

14. ¸˜
1. Introducao 6
¯ Processamento das informa¸oes obtidas e selecao de acoes que ser˜ o executadas;
c˜ ¸˜ ¸˜ a
¯ Execucao das acoes planejadas atrav´ s do acionamento dos atuadores.
¸˜ ¸˜ e
O robo realiza diversos ciclos de percepcao-acao, modificando o estado do ambiente em
ˆ ¸˜ ¸˜
busca da realizacao da tarefa [36].
¸˜
Sensores Percepção
AMBIENTE
Atuadores Ação
Figura 1.3: Ciclo de interacao
¸˜
1.3 Classifica¸ ao
c˜
Diversas taxonomias tem sido utilizadas para classificar robos moveis, contudo, n˜ o h´ ,
ˆ ´ a a
ainda, nenhuma que seja definitiva. De uma forma geral, podemos agrupar os robos exis-
ˆ
tentes de acordo com trˆ s aspectos: anatomia, tipo de controle e funcionalidade.
e
1.3.1 Segundo a Anatomia
Quanto a anatomia os robos podem ser classificados em trˆ s grandes grupos (figura 1.4):
ˆ e
os robos a´ reos, os aqu´ ticos e os terrestres.
ˆ e a
Robôs Móveis
Aéreos Aquáticos Terrestres
Rodas
Esteiras
Pernas
Figura 1.4: Classificacao segundo a anatomia
¸˜

15. ¸˜
1. Introducao 7
Os robos a´ reos, geralmente s˜ o aeromodelos ou LTAs (Lighter-Than-Air) equipados com
ˆ e a
cˆ meras de v´deo e utilizados para inspecao de grandes areas. Os aqu´ ticos, em geral s˜ o
a ı ¸˜ ´ a a
plataformas equipadas com propulsores e baloes de ar que permitem ao robo permanecer a
˜ ˆ
alguns metros do fundo do mar, por´ m, podem tamb´ m possuir patas (figura 1.5).
e e
(a) (b)
Figura 1.5: Exemplo de robos aqu´ ticos
ˆ a
J´ os robos terrestres s˜ o os mais populares e podem utilizar trˆ s tipos diferentes de
a ˆ a e
atuadores: rodas, esteiras ou pernas.
¯ Robos com Rodas - estes s˜ o os mais simples, pois n˜ o necessitam de um hardware
ˆ a a
t˜ o complexo quanto os robos com esteiras e pernas, al´ m disso, e f´ cil transformar
a ˆ e ´ a
brinquedos em robos. A principal desvantagem no uso de rodas e que, em terrenos
ˆ ´
irregulares, o desempenho pode n˜ o ser satisfatorio. Em geral, a roda do robo deve
a ´ ˆ
possuir raio igual ou maior aos obst´ culos que ele ir´ transpor (figura 1.6).
a a
(a) (b)
Figura 1.6: Exemplo de robo com rodas
ˆ

16. ¸˜
1. Introducao 8
¯ Robos com Esteiras - S˜ o mais utilizados em robos que atuam em ambientes irre-
ˆ a ˆ
gulares, como por exemplo com solo fofo e pedras. A grande desvantagem est´ na
a
dissipacao de energia causada pelo movimento de giro da propria esteira e pelas ro-
¸˜ ´
das no seu interior (figura 1.7).
(a) (b)
Figura 1.7: Exemplos de robos com esteiras
ˆ
¯ Robos com Pernas - Este tipo de robo e utilizado em terrenos acidentados, com subidas
ˆ ˆ´
´ngremes, ou em ambientes espec´ficos, como por exemplo, ambientes com escadas. A
ı ı
grande dificuldade deste tipo de robo est´ no desenvolvimento do projeto para contro-
ˆ a
le das pernas, que tˆ m, no m´nimo, dois graus de liberdade. H´ tamb´ m o fator custo
e ı a e
associado a este tipo de projeto, pois cada atuador utiliza pelo menos dois motores (fi-
gura 1.8) .
´
E importante ressaltar que estas s˜ o categorias difusas, uma vez que podem ser combi-
a
nadas caracter´sticas de dois grupos na construcao de um robo para uma tarefa espec´fica.
ı ¸˜ ˆ ı
1.3.2 Segundo o Tipo de Controle
Quando classificados segundo o tipo de controle, os robos podem ser separados em trˆ s
ˆ e
categorias:
¯ Teleoperados - Onde o operador realiza todos os movimentos que o robo deve fazer;
ˆ
¯ Semi-Autonomos - O operador indica o macro comando a ser executado e o robo o faz
ˆ ˆ
sozinho;

17. ¸˜
1. Introducao 9
(a) Robo hex´ pode
ˆ a (b) Robo humanoide
ˆ ´
Figura 1.8: Exemplos de robos com pernas
ˆ
¯ Autonomos - O robo realiza a tarefa sozinho, tomando suas proprias decisoes
ˆ ˆ ´ ˜
baseando-se nos dados obtidos do ambiente.
1.3.3 Segundo a Funcionalidade
Ao agruparmos os robos segundo sua funcionalidade, percebemos quatro grupos:
ˆ
robos industriais, robos de servico, robos de campo e robos pessoais. Contudo, h´ uma
ˆ ˆ ¸ ˆ ˆ a
sobreposicao entre os trˆ s primeiros (figura 1.9), devido a diferenca dos ambientes onde
¸˜ e ¸
atuam e a necessidade de maior autonomia.
Pessoais
Grau de Autonomia
Campo
serviço
Serviço de
campo
serviço
industrial
Industriais
Grau de Desestruturação do Ambiente
Figura 1.9: Classificacao segundo a funcionalidade
¸˜
¯ Robos Industriais - S˜ o os robos utilizados em linhas de producao. Estes robos recebem
ˆ a ˆ ¸˜ ˆ
tarefas determinadas a priori na forma de uma sequencia expl´cita e acoes e executam
¨ ı ¸˜
este programa automaticamente. O ambiente e completamente estruturado e ajustado
´

18. ¸˜
1. Introducao 10
para a execucao da tarefa. Neste ambiente, o robo tem conhecimento exato da sua
¸˜ ˆ
posicao e da posicao dos objetos. Em geral, robos moveis industriais s˜ o plataformas
¸˜ ¸˜ ˆ ´ a
moveis utilizadas para tarefas pesadas, como transporte de materiais e produtos finais
´
em sistemas de manufatura. Esses robos s˜ o denominados AGVs (Automated Guided
ˆ a
Vehicles) e s˜ o programados para seguir linhas desenhadas no ch˜ o.
a a
¯ Robos de Servico Industrial - Este tipo de robo possui as caracter´sticas de um robo de
ˆ ¸ ˆ ı ˆ
servico, por´ m atua em um ambiente completamente estruturado.
¸ e
¯ Robos de Servico - S˜ o os robos moveis utilizados para servicos gerais (figura 1.10). O
ˆ ¸ a ˆ ´ ¸
ambiente e estruturado e o robo possui um modelo deste ambiente, que e conhecido
´ ˆ ´
previamente, por´ m possui certa autonomia, pois processa informacao sensorial, para
e ¸˜
atuar em situacoes imprevistas, como desviar de uma pessoa ou objeto. Estes robos
¸˜ ˆ
recebem macro-comandos da tarefa que devem realizar e s˜ o utilizados para tarefas
a
de limpeza em geral (pisos, dutos de ar, metros, etc.), em sistemas de vigilˆ ncia e no
ˆ a
transporte de materiais leves (correspondˆ ncias internas, material hospitalar, etc.).
e
Figura 1.10: Exemplo de robo de servico: aspirador de po
ˆ ¸ ´
¯ Robos de Servico de Campo - Estes robos s˜ o robos de servico que atuam em ambientes
ˆ ¸ ˆ a ˆ ¸
externos que podem ser previamente modelados ou n˜ o. Em geral, caso haja um mo-
a
delo, este e prec´ rio e h´ a necessidade do processamento sensorial para complementar
´ a a
o modelo existente. Estes robos s˜ o utilizados na realizacao de tarefas agr´colas (figu-
ˆ a ¸˜ ı
ra 1.11) e para navegacao em auto-estradas.
¸˜
¯ Robos de Campo - estes robos trabalham em ambientes n˜ o estruturados, pouco co-
ˆ ˆ a
nhecidos e geralmente perigosos (figura 1.12). As principais atividades destes robos
ˆ

19. ¸˜
1. Introducao 11
Figura 1.11: Exemplo de robo de servico de campo: colheitadeira autonoma
ˆ ¸ ˆ
s˜ o: exploracao (espacial, de cavernas, vulcoes), mineracao e limpeza de acidentes
a ¸˜ ˜ ¸˜
nucleares.
Figura 1.12: Exemplo de robo de campo: Dante, para exploracao de vulcoes
ˆ ¸˜ ˜
¯ Robos Pessoais - s˜ o os robos vendidos em prateleiras, que n˜ o desenvolvem tarefas
ˆ a ˆ a
espec´ficas, mas interagem com os humanos e aprendem a localizar-se no ambiente (fi-
ı
gura 1.13).
Figura 1.13: Exemplo de robo pessoal: o c˜ ozinho Aibo
ˆ a

20. ¸˜
1. Introducao 12
1.4 Desafios em Robotica Movel
´ ´
ˆ ´ e ´
Construir um robo movel envolve uma s´ rie de problemas. E necess´ rio lidar com er-
a
ros de posicao e orientacao, ru´dos nas leituras dos sensores, problemas com a carga das
¸˜ ¸˜ ı
baterias, erros de programacao, etc.
¸˜
Como e poss´vel perceber, a tarefa de construir um robo com caracter´sticas humanas e
´ ı ˆ ı ´
um desafio incrivelmente dif´cil. Seres humanos possuem caracter´sticas muito dif´ceis de
ı ı ı
serem modeladas. Nosso sistema de vis˜ o e apurado, nossa reacao a uma situacao inespe-
a ´ ¸˜ ¸˜
rada e quase que instantˆ nea, nossos movimentos s˜ o coordenados inconscientemente para
´ a a
manter o equil´brio do corpo. Nosso sistema de controle de energia opera de forma bastante
ı
otimizada. Todas estas caracter´sticas nos tornam “m´ quinas” perfeitas.
ı a
Quando desenvolvemos robos, procuramos nos espelhar em nossas habilidades e essa
ˆ
busca pelo desenvolvimento de m´ quinas com caracter´sticas humanas nos apresenta uma
a ı
s´ rie de desafios.
e
1.4.1 Navega¸ ao
c˜
O grande desafio da navegacao de robos moveis e criar formas de representacao do am-
¸˜ ˆ ´ ´ ¸˜
biente. At´ que ponto modelos do ambiente precisam ser refinados e livres de erros. At´
e e
que ponto podemos utilizar navegacao reativa e ainda assim maximizar o desempenho do
¸˜
robo.
ˆ
1.4.2 Reconhecimento
Outro grande desafio e fazer com que o robo reconheca o ambiente no qual est´ inserido.
´ ˆ ¸ a
Isto envolve problemas com a complexidade computacional do processamento de imagem e
dados, al´ m das dificuldades encontradas ao tratar diferencas de luminosidade e ru´do nos
e ¸ ı
dados advindos dos sensores.
1.4.3 Aprendizado
Ao tornar o robo mais complexo, adicionando a ele novos sensores e atuadores, estamos
ˆ
tamb´ m acrescentando mais complexidade ao trabalho de programacao de acoes do robo,
e ¸˜ ¸˜ ˆ
al´ m de dificultar a tarefa de calibracao dos sensores e coordenacao dos movimentos. O
e ¸˜ ¸˜

21. ¸˜
1. Introducao 13
desenvolvimento de algoritmos de aprendizado permite que o robo calibre seus sensores e
ˆ
desempenhe a sua tarefa de forma mais autonoma e adapt´ vel.
ˆ a
1.4.4 Coopera¸ ao
c˜
Uma outra linha de pesquisa argumenta a possibilidade de construir robos pequenos e
ˆ
baratos que juntos possam desempenhar tarefas complexas, cooperando uns com os outros.
Assim como em um formigueiro.
1.4.5 Cogni¸ ao
c˜
O maior de todos os desafios e explorar os limites da inteligˆ ncia artificial. At´ que pon-
´ e e
to podemos criar novas formas para armazenar conhecimento e utilizar este conhecimento
para a tomada de decis˜ o dotando o robo de capacidades cognitivas de alto n´vel que o
a ˆ ı
permitam total autonomia com relacao ao meio.
¸˜
1.5 Exerc´cios
ı
1. Procure saber mais sobre o primeiro robo movel (Shakey).
ˆ ´
2. O que vocˆ entende por “expans˜ o dos obst´ culos”? Considere um robo com base
e a a ˆ
circular.
3. Quanto a modelagem do ambiente, os m´ todos podem ser exatos e aproximados. O
e
que vocˆ entende por m´ todos exatos e aproximados de modelagem do ambiente e
e e
quais as consequˆ ncia da escolha de um ou outro para o planejamento da trajetoria?
¨e ´
4. Observando o historico descrito no in´cio do cap´tulo, e poss´vel encontrar trˆ s tipos
´ ı ı ´ ı e
de “arquiteturas” de robos moveis, que dizem repeito a forma como este interage com
ˆ ´
o ambiente. Quais s˜ o estes trˆ s tipos? Busque caracteriz´ -los segundo algum crit´ rio
a e a e
e compare-os com o comportamento humano e de animais com relacao ao desenvolvi-
¸˜
mento de uma tarefa.
5. Quais s˜ o os principais tipos de sensores utilizados em robotica movel?
a ´ ´
6. Quais s˜ o os principais tipos de atuadores utilizados em robotica movel?
a ´ ´

22. ¸˜
1. Introducao 14
7. Na sua opini˜ o, qual a vantagem existente em construir robos com base circular pa-
a ˆ
ra atuar em ambientes fechados e estruturados? Ilustre uma situacao onde um robo
¸˜ ˆ
com base circular consegue cumprir sua tarefa em detrimento a um robo com base
ˆ
retangular.

23. Cap´tulo 2
ı
Sensores
O uso tradicional da robotica tem sido as aplicacoes industriais, que tradicionalmente
´ ¸˜
utilizam robos fixos para manufatura. Os benef´cios do uso da robotica na industria s˜ o
ˆ ı ´ ´ a
j´ bem conhecidos, para citar alguns: Melhoria na qualidade do produto, aumento da efi-
a
ciˆ ncia, confiabilidade e reducao dos custos de producao. A introducao da mobilidade na
e ¸˜ ¸˜ ¸˜
robotica fez surgir toda uma nova gama de aplicacoes, al´ m das tradicionais aplicacoes in-
´ ¸˜ e ¸˜
dustriais. Essas aplicacoes incluem: robos moveis para combate a incˆ ndios, manipulacao
¸˜ ˆ ´ ` e ¸˜
de material b´ lico, explosivos, material toxico, transporte de materiais e cargas perigosas,
e ´
patrulhamento e vigilˆ ncia, etc.
a
A construcao de robos moveis, apesar de sua ampla gama de aplicacoes, representa um
¸˜ ˆ ´ ¸˜
desafio tecnologico. V´ rios problemas precisam ser resolvidos pelos projetistas de robos
´ a ˆ
para que os robos possam ser constru´dos de forma a estarem adaptados a tarefa a ser exe-
ˆ ı `
cutada. As principais dificuldades encaradas pelos projetistas devem-se principalmente a
`
imaturidade tecnologica, ainda incapaz de fornecer o suporte adequado ao seu desenvolvi-
´
mento. Estas dificuldades tecnologicas podem ser resumidas em trˆ s areas principais:[4, 20]
´ e ´
1. Recursos Computacionais
2. Comunicacoes
¸˜
3. Sensores
As duas primeiras areas tˆ m sido bastante desenvolvidas nos ultimos anos, com o de-
´ e ´
senvolvimento exponencial do poder computacional dos processadores, e com o grande de-
senvolvimento da tecnologia das redes de computadores, dos protocolos de comunicacao, e
¸˜
da tecnologia de computacao movel.
¸˜ ´

24. 2. Sensores 16
A categoria dos sensores, no entanto, somente agora tem percebido um not´ vel cresci-
a
mento tecnologico. Os principais problemas enfrentados no desenvolvimento da robotica
´ ´
movel surgem diretamente da necessidade de interacao com objetos f´sicos e entidades do
´ ¸˜ ı
ambiente. Esta interacao consiste principalmente na localizacao e identificacao destas en-
¸˜ ¸˜ ¸˜
tidades e objetos enquanto o robo move-se (navega) neste meio ambiente. Este processo
ˆ
precisa ser realizado rapidamente, e com a m´ xima precis˜ o e acur´ cia. No projeto de tais
a a a
sensores, deve-se levar em conta as seguintes consideracoes:[9, 20]
¸˜
¯ Campo de Vis˜ o: Deve ser amplo o bastante e com suficiente profundidade para
a
adequar-se a sua aplicacao.
` ¸˜
¯ Range Capability: (Capacidade Alcance) O alcance m´nimo de deteccao, bem como o
ı ¸˜
alcance m´ ximo efetiva devem ser adequados ao uso pretendido do sensor.
a
¯ Acur´ cia e Resolu¸ ao: Devem estar de acordo com as necessidades da tarefa dada.
a c˜
¯ Habilidade para detectar todos os objetos no ambiente: V´ rias condicoes ambien-
a ¸˜
tes podem interferir e acrescentar ru´do as informacoes captadas pelos sensores. Os
ı ` ¸˜
mesmos devem ser capazes de minimizar tais interferˆ ncias.
e
¯ Opera¸ ao em Tempo-Real: O sensor deve ser capaz de fornecer dados em tempo real
c˜
a velocidades que sejam compat´veis com a velocidade de sua plataforma receptora
ı
(robo movel, ve´culo-robo, etc.)
ˆ ´ ı ˆ
¯ Dados Concisos e de f´ cil interpreta¸ ao: O formato de sa´da de um sensor deve ser re-
a c˜ ı
al´stico do ponto de vista dos requisitos de processamento, visando reduzir ao m´ ximo
ı a
o pr´ -processamento da informacao fornecida pelo sensor.
e ¸˜
¯ Redundˆ ncia: O sistema sensor deve sofrer uma degradacao lenta e suave, e n˜ o fi-
a ¸˜ a
car totalmente incapacitado devido a perda de um elemento sensor. Uma capacidade
`
multimodal seria desej´ vel para assegurar a deteccao de todos os alvos, bem como para
a ¸˜
aumentar o n´vel de confianca de sua sa´da.
ı ¸ ı
¯ Simplicidade: O sistema deve ser de baixo custo e modular, para facilitar a
manutencao e permitir atualizacoes evolucion´ rias, portanto, n˜ o deve estar restrito
¸˜ ¸˜ a a
a um tipo de hardware espec´fico.
` ı

25. 2. Sensores 17
¯ Consumo de For¸ a: O consumo de forca deve ser m´nimo, para poder ser mantida
c ¸ ı
uma boa relacao com os recursos limitados a bordo de robos moveis e ve´culos-robos.
¸˜ ˆ ´ ı ˆ
¯ Tamanho: O peso e o tamanho devem ser o menor poss´vel, de acordo com os objetivos
ı
pretendidos para o ve´culo ou robo.
ı ˆ
Estas consideracoes n˜ o representam regras r´gidas, mas o projetista deve sempre tˆ -las
¸˜ a ı e
em mente antes de iniciar o projeto de um novo sistema sensor para um robo movel.
ˆ ´
2.1 Defini¸ ao
c˜
Sensores s˜ o dispositivos projetados para quantificar ou detectar parˆ metros especifica-
a a
dos por meio de elementos transdutores1 [24, 20, 6].
2.2 Classifica¸ ao
c˜
Do ponto de vista da robotica, os sensores podem ser divididos em duas grandes cate-
´
gorias, de acordo com a sua utilizacao em um robo [15, 20, 6]:
¸˜ ˆ
1. Sensores Internos: S˜ o usados para medir a posicao e velocidade ou aceleracao das
a ¸˜ ¸˜
juntas ou extremidades de um robo manipulador, ou das rodas ou patas de um robo
ˆ ˆ
movel.
´
2. sensores Externos: S˜ o utilizados para monitorar o proprio robo e a sua relacao com o
a ´ ˆ ¸˜
mundo ao seu redor, bem como a realizacao da tarefa que lhe foi destinada.
¸˜
Esta divis˜ o pode ainda ser expandida em diversas subclasses, conforme mostra a taxo-
a
nomia abaixo:
1. Sensores internos
(a) Sensores de posicao
¸˜
i. N˜ o-oticos
a ´
A. Potenciometros
ˆ
B. Sincronizadores
1
Transdutores s˜ o elementos que tem a funcao de converter uma dada magnitude f´sica em outra.
a ¸˜ ı

26. 2. Sensores 18
C. Resolvedores
D. Escala Indutiva Linear (Inductosyn)
E. Transformadores Diferenciais (LVDT e RVDT)
´
ii. Oticos
´
A. Interruptores Oticos
´
B. Codificadores Oticos
(b) Sensores de Velocidade
i. Tacometros
ˆ
´
ii. Codificadores Oticos
(c) Sensores de Aceleracao
¸˜
2. Sensores Externos
(a) Sensores de Proximidade
i. Sensores de Contato
ii. Sensores de N˜ o-contato
a
A. Sensores oticos de Proximidade
´
B. Sensores Indutivos
C. Sensores de Efeito Hall
D. Sensores Capacitivos
E. Sensores de Proximidade Ultra-sonicos
ˆ
(b) Sensores de Distˆ ncia
a
i. Por Triangulacao
¸˜
ii. Por luz estruturada
iii. Por Tempo de Voo
ˆ
A. Laser
B. Pulso de Luz
C. Deslocamento de fase
D. Ultra-som (pulso-eco)
3. Sensores de Tato

27. 2. Sensores 19
(a) Bin´ rios
a
(b) Analogicos
´
(c) Pele artificial
4. Sensores de Deslizamento
(a) Sensores de Forca e Torque
¸
i. Por monitoracao da corrente do motor
¸˜
ii. Usando um LVDT
2.3 Crit´ rios para Avalia¸ ao de Sensores
e c˜
2.3.1 Sensibilidade
´
E definida como a raz˜ o entre a taxa de mudanca dos valores de sa´da pela mudanca
a ¸ ı ¸
dos valores de entrada. Como exemplo, seja um sensor qualquer, em que um movimento de
0,001mm na entrada provoca uma mudanca de 0,02V na sua sa´da. Neste caso dizemos que
¸ ı
Î
a sensibilidade do sensor e de ¼ ¼ ¼¾ÑÑ ¾¼Î ÑÑ
´ ¼¼½
2.3.2 Linearidade
´
E a medida da constˆ ncia da taxa de sa´da com relacao a entrada. Um sensor e dito linear
a ı ¸˜ ` ´
se a variacao da entrada e constante com a variacao da sa´da, ou seja se a relacao entre ambos
¸˜ ´ ¸˜ ı ¸˜
e dada por uma funcao linear.
´ ¸˜
2.3.3 Faixa
´
E a medida da diferenca entre o valor m´nimo e o valor m´ ximo medido.
¸ ı a
2.3.4 Tempo de resposta
´
E o tempo decorrido para que uma mudanca nas entradas seja percebida como uma
¸
mudanca est´ vel nas sa´da. Em alguns sensores a sa´da oscila por um certo tempo antes de
¸ a ı ı
alcancar um valor est´ vel. O tempo de resposta e medido desde o in´cio da mudanca na
¸ a ´ ı ¸
entrada at´ a estabilizacao da sa´da.
e ¸˜ ı

28. 2. Sensores 20
2.3.5 Precis˜ o
a
´
E a medida da diferenca entre os valores medidos e reais.
¸
2.3.6 Repetibilidade
´
E a medida da diferenca entre duas medidas sucessivas sob as mesmas condicoes. Sen-
¸ ¸˜
sores podem ter alta repetibilidade, mas pouca precis˜ o.
a
Ponto Alvo Ponto Alvo Ponto Alvo
Alta Repetibilidade Alta Repetibilidade Baixa Repetibilidade
Alta Acuracia Baixa Acuracia Alta Acuracia
Figura 2.1: Diferenca entre repetibilidade e acur´ cia. (Fonte: [6])
¸ a
2.3.7 Resolu¸ ao
c˜
Mede o numero de medidas de valores diferentes poss´veis dentro de uma faixa de
´ ı
m´nimo e m´ ximo.
ı a
2.3.8 Tipo de Sa´da
ı
A sa´da de um sensor pode ser dada de v´ rias fomas, por exemplo, atrav´ s de:
ı a e
¯ movimento mecˆ nico,
a
¯ tens˜ o,
a
¯ corrente,
¯ press˜ o,
a
¯ n´vel hidr´ ulico,
ı a

29. 2. Sensores 21
¯ intensidade luminosa, etc.
2.4 Sensores Internos
Os sensores internos s˜ o geralmente designados para as tarefas conhecidas como “Dead
a
Reckoning” (contagem deduzida). Tamb´ m s˜ o conhecidos como sensores de posicao, ou
e a ¸˜
sensores n˜ o oticos ou ainda como sensores de odometria. A secao seguinte vˆ com mais
a ´ ¸˜ e
detalhes o “Dead Reckoning” e os sensores que s˜ o geralmente usados para esta tarefa [20].
a
2.4.1 Dead Reckoning
A express˜ o “Dead Reckoning” deriva da express˜ o “Deduced Reckoning” (Contagem
a a
Deduzida). Dead Reckoning e um procedimento para determinacao da localizacao atual
´ ¸˜ ¸˜
de um ve´culo atrav´ s da an´ lise das informacoes sobre sua velocidade e curso conhe-
ı e a ¸˜
cido. Baseia-se na id´ ia de que se o curso e conhecido, podemos determinar a posicao
e ´ ¸˜
do ve´culo neste curso atrav´ s da observacao da velocidade de seu deslocamento, ou ain-
ı e ¸˜
¸˜ a e ´
da, da observacao da distˆ ncia percorrida da origem at´ o momento. E um procedimento
an´ logo ao que fazemos quando dirigimos de uma cidade a outra, consultando um mapa e
a `
o odometro do carro, por exemplo.
ˆ
A implementacao mais simplista de dead reckoning e conhecida como odometria, onde a
¸˜ ´
posicao do ve´culo ao longo do caminho e derivada diretamente de algum tipo de odometro
¸˜ ı ´ ˆ
embarcado. Outra forma de odometria bastante comum envolve codificadores opticos di-
´
retamente acoplados a armadura do motor ou aos eixos das rodas. Em algumas aplicacoes
` ¸˜
exteriores utiliza-se algumas vezes sensores magn´ ticos de proximidade para perceber a
e
presenca de pequenos magnetos permanentes que s˜ o acoplados ao ve´culo (muito usados
¸ a ı
na industria automotiva para afericao de velocidade). Mais detalhes sobre odometria, veja
´ ¸˜
[8, 11, 9, 24].
Sensores de Odometria (ou de posi¸ ao) n˜ o oticos
c˜ a ´
Os tipos mais comuns de sensores aplicados a odometria s˜ o: potenciometros, resol-
` a ˆ
vedores, e codificadores oticos. A seguir veremos cada um deles com um pouco mais de
´
detalhe:

30. 2. Sensores 22
Potenciometros S˜ o geralmente usados como sensores de posicionamento rotacional em
ˆ a
aplicacoes de m´ dia acur´ cia e baixa velocidade que n˜ o envolvam rotacao cont´nua (p.ex.,
¸˜ e a a ¸˜ ı
s˜ o usados para sentir o posicionamento da cabeca de um robo, ou de suas articulacoes).
a ¸ ˆ ¸˜
Slider movel
Elemento resistivo
Figura 2.2: Sensor Potenciometro. (Adaptado de [20])
ˆ
Seu princ´pio de funcionamento e o mesmo do divisor de tens˜ o de resistˆ ncia vari´ vel:
ı ´ a e a
aplica-se a tens˜ o de referˆ ncia nos dois polos de entrada do potˆ nciometro e ent˜ o lˆ -se
a e e ˆ a e
a tens˜ o de sa´da, a qual ser´ alterada em funcao do comprimento da resistˆ ncia(2.2). A
a ı a ¸˜ e
tens˜ o de sa´da de um potenciometro e mostrada abaixo:
a ı ˆ ´
Ö
μ ÎÖ ¡Ê
onde:
μ = tens˜ o de sa´da; ÎÖ
a ı = tens˜ o de referˆ ncia; Ö = resistˆ ncia wiper terra; Ê= resistˆ ncia
a e e e
total;
Principais Vantagens:
¯ baixo custo;
¯ interface muito simples.
Principais Desvantagens:
¯ sempre existem n˜ o linearidades nestes potenciometros;
a ˆ
¯ N˜ o podem ser usados em sistemas onde se requer grande precis˜ o;
a a
¯ sofre deterioracao com o tempo de uso, devido ao atrito dos componentes.
¸˜

31. 2. Sensores 23
Sincronizadores e Resolvedores :
Sincronizadores s˜ o dispositivos eletromecˆ nicos rotacionais usados para transmitir
a a
informacao angular eletricamente, de um lugar para outro, com grande precis˜ o. Basica-
¸˜ a
mente, o sincronizador e um transformador de acoplamento vari´ vel, consistindo de um
´ a
rotor de enrolamento prim´ rio AC-excitado muito simples e dois ou mais enrolamentos estatores
a
simetricamente orientados em torno do rotor (2.3). O acoplamento magn´ tico efetivo entre
e
o enrolamento do rotor e os enrolamentos dos estatores envolventes varia como uma funcao
¸˜
da orientacao do vetor. O acoplamento m´ ximo ocorre quando os campos s˜ o paralelos, e
¸˜ a a
o acoplamento m´nimo ocorre quando o campo do rotor est´ ortogonalmente alinhado com
ı a
respeito a um determinado enrolamento dos estatores. Assim sendo, a sa´da do estator for-
ı
ma um conjunto de sinais AC cujas respectivas magnitudes definem unicamente o angulo
ˆ
do rotor em qualquer momento no tempo.
Transmissor Receptor
Rotor Rotor
Fonte stator stator Fonte
alternada Alternada
Figura 2.3: Sensor Sincronizador.(Adaptado de [20])
Tipos de Sincronizadores
¯ Transmissores
¯ Diferenciais
¯ Receptores
¯ Transformadores de controle
¯ Resolvedores
¯ Resolvedores diferenciais

32. 2. Sensores 24
¯ Transformadores Lineares
¯ Transolvers
Desvantagens:
¯ Necessidade de adaptacao para interfaceamento com equipamentos digitais.
¸˜
¯ S˜ o de eletronica complexa
a ˆ
¯ Geralmente ocupam grande volume
¯ Custo muito elevado.
Resolvedores s˜ o configuracoes especiais dos sincronizadores que desenvolvem volta-
a ¸˜
gens proporcionais ao seno e ao coseno do angulo do rotor. S˜ o muito utilizados para dividir
ˆ a
uma quantidade vetorial em seus componentes associados.
Vr
AC
Input Vy
Rotor
Stator Windings
Vx
Figura 2.4: Resolvedor (Adaptado de [20])
Vantagens:
¯ ´
E poss´vel obter melhor resolucao angular com o resolver do que com a maioria dos
ı ¸˜
outros sensores de posicao.
¸˜

33. 2. Sensores 25
Desvantagens:
¯ Alto custo
¯ sofre interferˆ ncia eletromagn´ tica de outros aparelhos devido ao sinal de excitacao
e e ¸˜
AC.
´
Escala Indutiva Linear E bastante utilizado em m´ quinas de controle num´ rico. Possui
a e
grande precis˜ o - 0,1mil´ simos de polegada (linear) ou de ¼ ¼¼¼ ¾Ó E bastante similar aos
a e ´
resolvedores: h´ sempre dois componentes acoplados magneticamente, um dos quais se
a
move em relacao ao outro. Maiores detalhes veja em [6].
¸˜
Vantagens:
¯ Grande precis˜ o
a
Desvantagens:
¯ alto custo;
¯ e necess´ rio eletronica adicional para fazer a digitalizacao das sa´das.
´ a ˆ ¸˜ ı
Transformadores Diferenciais LVDT2 e RVDT3
O LVDT e um transdutor eletronico que consiste de duas partes, uma movel e outra fixa,
´ ˆ ´
e produz uma tens˜ o de sa´da proporcional ao deslocamento da parte movel relativo a parte
a ı ´ `
fixa.
Desvantagens:
¯ Para a Robotica, tem o problema de ter que operar sobre a sua posicao central, o que
´ ¸˜
gera uma dificuldade de calibracao, que implica em aumento de custo;
¸˜
¯ ´
E um dispositivo analogico
´
¯ Sua posicao central varia com o tempo e a temperatura.
¸˜
¯ Opera com angulo de abertura de
ˆ ¦ ¼Ó e a maioria das juntas dos robos se desloca
ˆ
mais que ½¾¼Ó
2
LVDT - Linear Variable Diferential Transformer;
3
RVDT - Rotary Variable Differential Transformer.

34. 2. Sensores 26
+
Circuito de
Condicionamento
de Sinal
-
Nucleo
Magnetico
Figura 2.5: Sensor LVDT. (Adaptado de [6])
Sensores de Odometria (ou de posi¸ ao) Oticos
c˜
Possuem grandes vantagens com relacao aos sensores n˜ o oticos, as principais sendo:
¸˜ a ´
¯ sua medicao n˜ o interfere no processo
¸˜ a
¯ inexistˆ ncia de desgaste mecˆ nico
e a
¯ alta taxa de medicao
¸˜
¯ imunidade ao ru´do
ı
A seguir relacionamos os v´ rios tipos de sensores oticos:
a ´
´
Interruptores Oticos Em robos do tipo ponto-a-ponto, necessita-se apenas que os pontos
ˆ
inicial e final sejam precisamente determinados; a informacao da posicao e pouco utiliza-
¸˜ ¸˜ ´
da pelo sistema do robo. Nestes casos, um interruptor otico atua com vantagens sobre as
ˆ ´
chaves de contato. Basicamente, consiste de um disco transparente, com uma regi˜ o opaca
a
colocada em algum ponto da superf´cie. Este tipo de sensor funciona como circuito fechado
ı
enquanto o feixe de luz atravessa a superf´cie transparente; e atua como circuito interrom-
ı
´
pido quando o feixe de luz alcanca a parte opaca, interrompendo o feixe de luz. E utilizado
¸
para fornecer sinais de sa´da bin´ rios, do tipo “ligado-desligado”. Sua simplicidade permite
ı a
que outros pontos de interrupcao sejam adicionados apenas colocando-se mais areas opacas
¸˜ ´
na superf´cie do disco.
ı

35. 2. Sensores 27
Emissor
Disco
Receptor
Figura 2.6: Interruptor otico. (Adaptado de [6])
´
´
Codificadores Oticos Os primeiros codificadores oticos foram desenvolvidos em meados
´
de 1940 pela Baldwin Piano Company para uso como “rodas de tom” (tone wheels) que per-
mitiam aos org˜ os el´ tricos imitar outros instrumentos musicais . Os dispositivos atuais
´ a e
basicamente embutem uma vers˜ o miniaturizada do sensor de proximidade de modo opos-
a
to (Opposed-mode proximity sensor). Neste esquema um canh˜ o de luz e direcionado pa-
a ´
ra um foto-detector, sendo periodicamente interrompido por um padr˜ o codificado opa-
a
co/transparente pintado sobre a superf´fie de um disco rotativo intermedi´ rio fixado ao
ı a
eixo de interesse. O disco rotativo pode ser constru´do de cromo sobre vidro, fotopl´ stico
ı a
(photoplast), ou metal vazado.
Vantagens:
¯ Esquema de codificacao direto
¸˜
¯ Sa´da inerentemente digital
ı
¯ Baixo custo
¯ Boa imunidade a ru´dos
` ı
Tipos b´ sicos de codificadores oticos:
a ´
¯ Incrementais
¯ Absolutos