Apostila de Robotica

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Apostila de Robotica

  1. 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. 2. Sum´ rio a1 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 132 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. 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 493 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 654 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. 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 865 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 ı6 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 ı7 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. 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 ¸˜ ı8 Gloss´ rio a 127 v
  6. 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. 7. 2.12 Amortecedor T´ ctil. (Adaptado de [6]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 332.13 Sensor Reed Swithch magn´ tico.(Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . e 342.14 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 352.15 Esquema de um sensor de proximidade por micro-ondas. (Adaptado de [20]) 372.16 Sensor otico oposto. (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 382.17 Sensor otico retrorefletor. (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 382.18 Sensor otico Difuso. (Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 392.19 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]) . . 402.20 Esquema de Triangulacao Ativa.(Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . ¸˜ 412.21 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]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.22 Sensor de tato analogico.(Adaptado de [20]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 452.23 Pele Artificial. (Adaptado de [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.1 Grande variedade de dispositivos hidr´ ulicos e pneum´ ticos . . . . . . . . . . a a 513.2 Exemplo de um robo com acionamento pneum´ tico . . . . . . . . . . . . . . . ˆ a 523.3 Outro robo industrial que utiliza o ar comprimido como energia . . . . . . . . ˆ 523.4 Cilindro pneum´ tico em alum´nio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a ı 533.5 Outros modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.6 Exemplos de pistoes hidr´ ulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˜ a 543.7 Outros modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.8 Motor AC trif´ sico comum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 563.9 T´pico motor AC monof´ sico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ı a 563.10 Corte parcial de um motor DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.11 Exemplos de motores DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.12 Motor relutˆ ncia vari´ vel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a a 603.13 Im˜ permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 603.14 Modelo h´brido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ı 603.15 Exemplo de um motor de passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 vii
  8. 8. 3.16 Outro modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.17 Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.18 Fibras de um pol´mero eletroativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ı 623.19 Prototipo de um robo “alado” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ ˆ 633.20 Exemplo de um motor piezoel´ trico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 634.1 Diagrama de relacao entre cinem´ tica direta e inversa . . . . . . . . . . . . . . ¸˜ a 674.2 Exemplo de um robo planar com dois graus de liberdade . . . . . . . . . . . . ˆ 684.3 Matriz jacobiana direta e inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.4 Funcionamento do controle cinem´ tico a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.5 Atuacao de um controle cinem´ tico em um robo com dois graus de liberdade ¸˜ a ˆ 784.6 Diagrama de blocos que representa o comportamento dinˆ mico de uma a articulacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¸˜ 834.7 Esquema de algoritmo de controle baseado em PID . . . . . . . . . . . . . . . 844.8 Esquema de algoritmo de controle baseado em PID com pr´ -alimentacao . . . e ¸˜ 855.1 Esquema gen´ rico de uma Arquiteura Reativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 915.2 Planejamento hier´ rquico usado em arquiteturas deliberativas . . . . . . . . . a 925.3 Um exemplo simples da arquitetura de subsuncao . . . . . . . . . . . . . . . . ¸˜ 995.4 Arquitetura h´brida AuRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 ı6.1 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. 9. Cap´tulo 1 ıIntrodu¸ 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 ´ ¸ ˆaprendizado e racioc´nio. ı Ainda estamos longe de criar m´ quinas autonomas, adapt´ veis e inteligentes, mas a ˆ aavancos nas areas de inteligˆ ncia artificial e controle e o desenvolvimento de novos tipos ¸ ´ ede materiais, nos tˆ m permitido o desenvolvimento de robos para os mais variados fins. e ˆ1.1 Historico ´ O desejo de construir m´ quinas que imitem os movimentos de seres humanos e animais aacompanha as civilizac oes desde a antiguidade. Os eg´pcios constru´am homens mecˆ nicos ¸˜ ¨ ı ı aem forma de est´ tuas com articulacoes moveis e ajust´ veis. Da Gr´ cia antiga, tem-se a a ¸˜ ´ a edescricao de est´ tuas munidas de tubos falantes e a partir do s´ culo IV a.C., marionetes ¸˜ a eacionadas 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 apor sistemas de cordas que imitavam algumas atividades humanas, chamavam a atencao ¸˜para a possibilidade de descrever a natureza humana. Em 1589, Bernardino Baldi, abadede 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 ePenso, logo existo, muitos filosofos passaram a se questionar sobre os limites do mecanicismo: ´
  10. 10. ¸˜1. Introducao 2afinal, se automatos eram capazes de descrever a natureza e os animais, seriam adequados ˆpara explicar a natureza humana? A construcao de automatos cresceu no s´ culo XVIII, sendo que alguns se tornaram bas- ¸˜ ˆ etante 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, ˆmon´ tono e foi utilizada pela primeira vez em ½ o ¾½, pelo dramaturgo Karel Capeck no contode 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 ´ ˆlivro 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- ˆtadores. A primeira patente para um robo industrial controlado por computador foi registra- ˆda 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- ˆtriais - UNIMATION. Em ½ ½ o primeiro robo UNIMATE, que usava comando num´ rico ˆ eprogram´ vel, foi instalado na linha de montagem da General Motors: estava iniciada era da aautomacao industrial. ¸˜ Em ½ ¿, surge o primeiro sistema para vis˜ o de robos. E em ½ a ˆ , o primeiro robo de ˆpintura, cuja trajetoria era treinada e armazenada. ´
  11. 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 ¸ ´ eartificial, dotar um robo movel com capacidades para atuar em ambientes dinˆ micos parecia ˆ ´ aser algo simples, por´ m, logo percebeu-se a grande complexidade envolvida no desenvolvi- emento 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- ˆquisa de Stanford - foi introduzido como o primeiro robo movel controlado por inteligˆ ncia ˆ ´ eartificial. 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 euma “regi˜ o de incerteza”, criada atrav´ s do crescimento dos obst´ culos. Assim, utilizando a e agrafos de visibilidade para o planejamento de trajetoria, o robo poderia ser tratado como um ´ ˆsimples ponto no espaco de configuracao. Este m´ todo foi o primeiro m´ todo exato aplicado ¸ ¸˜ e eao 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- eliberativas 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. 12. ¸˜1. Introducao 4assumidas simplificacoes, como o ambiente est´ tico e totalmente conhecido. Com estas ¸˜ asimplificacoes, o problema e contornado, mas a aplicacao de robos permanece restrita a ¸˜ ´ ¸˜ ˆambientes 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 ˆsensores. Esta arquitetura baseia-se na decomposicao da inteligˆ ncia em comportamentos ¸˜ eindividuais, gerando modulos que coexistem e cooperam para a emergˆ ncia de comporta- ´ ementos mais complexos. Esta arquitetura e um marco nas pesquisas de m´ todos reativos e ´ eascendeu 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 ˆtransforma-se em uma part´cula sob a influˆ ncia de campos eletromagn´ ticos, constitu´dos ı e e ıpelos 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- aada em esquemas motores, que mais tarde amadureceu em uma arquitetura h´brida, a qual ıdenominou AuRA - Autonomous Robot Architecture. Em 89, Arkin [2] compara as abordagensplanejada 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- epologicos 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 emarcas (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- ˜ eente em tempo de execucao, utilizando sensores de contato. Por este m´ todo, o ambiente e ¸˜ e ´
  13. 13. ¸˜1. Introducao 5mapeado em uma quadtree, onde a menor c´ lula tem o tamanho do diˆ metro do robo. O e a ˆcaminho e, inicialmente, dado por uma linha reta e durante a execucao desta trajetoria, s˜ o ´ ¸˜ ´ aobtidas leituras dos sensores utilizadas para atualizar a estrutura da quadtree sobre a qualo 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 ainspecionar 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 ˆbusca de amostras de meteoritos na Ant´ rtica (figura 1.2 (a)). O robo coleta as amostras de a ˆpedras 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. ˆ1.2 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 asob o controle de um sistema computacional, equipado com sensores e atuadores que opermitem 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. 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 aainda, nenhuma que seja definitiva. De uma forma geral, podemos agrupar os robos exis- ˆtentes de acordo com trˆ s aspectos: anatomia, tipo de controle e funcionalidade. e1.3.1 Segundo a Anatomia Quanto a anatomia os robos podem ser classificados em trˆ s grandes grupos (figura 1.4): ˆ eos 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. 15. ¸˜1. Introducao 7 Os robos a´ reos, geralmente s˜ o aeromodelos ou LTAs (Lighter-Than-Air) equipados com ˆ e acˆ meras de v´deo e utilizados para inspecao de grandes areas. Os aqu´ ticos, em geral s˜ o a ı ¸˜ ´ a aplataformas equipadas com propulsores e baloes de ar que permitem ao robo permanecer a ˜ ˆalguns 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 eatuadores: 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. 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- anadas caracter´sticas de dois grupos na construcao de um robo para uma tarefa espec´fica. ı ¸˜ ˆ ı1.3.2 Segundo o Tipo de Controle Quando classificados segundo o tipo de controle, os robos podem ser separados em trˆ s ˆ ecategorias: ¯ 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. 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: ˆrobos industriais, robos de servico, robos de campo e robos pessoais. Contudo, h´ uma ˆ ˆ ¸ ˆ ˆ asobreposicao 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. 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. 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. 20. ¸˜1. Introducao 121.4 Desafios em Robotica Movel ´ ´ ˆ ´ e ´ Construir um robo movel envolve uma s´ rie de problemas. E necess´ rio lidar com er- aros de posicao e orientacao, ru´dos nas leituras dos sensores, problemas com a carga das ¸˜ ¸˜ ıbaterias, 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 ıserem 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 amanter o equil´brio do corpo. Nosso sistema de controle de energia opera de forma bastante ıotimizada. Todas estas caracter´sticas nos tornam “m´ quinas” perfeitas. ı a Quando desenvolvemos robos, procuramos nos espelhar em nossas habilidades e essa ˆbusca pelo desenvolvimento de m´ quinas com caracter´sticas humanas nos apresenta uma a ıs´ rie de desafios. e1.4.1 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 eque ponto podemos utilizar navegacao reativa e ainda assim maximizar o desempenho do ¸˜robo. ˆ1.4.2 Reconhecimento Outro grande desafio e fazer com que o robo reconheca o ambiente no qual est´ inserido. ´ ˆ ¸ aIsto envolve problemas com a complexidade computacional do processamento de imagem edados, al´ m das dificuldades encontradas ao tratar diferencas de luminosidade e ru´do nos e ¸ ıdados advindos dos sensores.1.4.3 Aprendizado Ao tornar o robo mais complexo, adicionando a ele novos sensores e atuadores, estamos ˆtamb´ m acrescentando mais complexidade ao trabalho de programacao de acoes do robo, e ¸˜ ¸˜ ˆal´ m de dificultar a tarefa de calibracao dos sensores e coordenacao dos movimentos. O e ¸˜ ¸˜
  21. 21. ¸˜1. Introducao 13desenvolvimento de algoritmos de aprendizado permite que o robo calibre seus sensores e ˆdesempenhe a sua tarefa de forma mais autonoma e adapt´ vel. ˆ a1.4.4 Coopera¸ ao c˜ Uma outra linha de pesquisa argumenta a possibilidade de construir robos pequenos e ˆbaratos 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 eto podemos criar novas formas para armazenar conhecimento e utilizar este conhecimentopara a tomada de decis˜ o dotando o robo de capacidades cognitivas de alto n´vel que o a ˆ ıpermitam 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. 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. 23. Cap´tulo 2 ıSensores 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 ´ ´ aj´ bem conhecidos, para citar alguns: Melhoria na qualidade do produto, aumento da efi- aciˆ 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 ˆpara 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. 24. 2. Sensores 16 A categoria dos sensores, no entanto, somente agora tem percebido um not´ vel cresci- amento tecnologico. Os principais problemas enfrentados no desenvolvimento da robotica ´ ´movel surgem diretamente da necessidade de interacao com objetos f´sicos e entidades do ´ ¸˜ ıambiente. Esta interacao consiste principalmente na localizacao e identificacao destas en- ¸˜ ¸˜ ¸˜tidades e objetos enquanto o robo move-se (navega) neste meio ambiente. Este processo ˆprecisa ser realizado rapidamente, e com a m´ xima precis˜ o e acur´ cia. No projeto de tais a a asensores, 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. 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 eem 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 ados 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- anomia 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. 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. 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 LVDT2.3 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 de0,001mm na entrada provoca uma mudanca de 0,02V na sua sa´da. Neste caso dizemos que ¸ ı Îa sensibilidade do sensor e de ¼ ¼ ¼¾ÑÑ ¾¼Î ÑÑ ´ ¼¼½2.3.2 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 a2.3.4 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 ıalcancar 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. 28. 2. Sensores 202.3.5 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]) ¸ a2.3.7 Resolu¸ ao c˜ Mede o numero de medidas de valores diferentes poss´veis dentro de uma faixa de ´ ım´nimo e m´ ximo. ı a2.3.8 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. 29. 2. Sensores 21 ¯ intensidade luminosa, etc.2.4 Sensores Internos Os sensores internos s˜ o geralmente designados para as tarefas conhecidas como “Dead aReckoning” (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 ´ ¸˜ edetalhes o “Dead Reckoning” e os sensores que s˜ o geralmente usados para esta tarefa [20]. a2.4.1 Dead Reckoning A express˜ o “Dead Reckoning” deriva da express˜ o “Deduced Reckoning” (Contagem a aDeduzida). 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 procedimentoan´ 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 ´ ˆembarcado. 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 epresenca de pequenos magnetos permanentes que s˜ o acoplados ao ve´culo (muito usados ¸ a ına 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 ˆvedores, e codificadores oticos. A seguir veremos cada um deles com um pouco mais de ´detalhe:
  30. 30. 2. Sensores 22Potenciometros S˜ o geralmente usados como sensores de posicionamento rotacional em ˆ aaplicacoes de m´ dia acur´ cia e baixa velocidade que n˜ o envolvam rotacao cont´nua (p.ex., ¸˜ e a a ¸˜ ıs˜ 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 aaplica-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 ea tens˜ o de sa´da, a qual ser´ alterada em funcao do comprimento da resistˆ ncia(2.2). A a ı a ¸˜ etens˜ o de sa´da de um potenciometro e mostrada abaixo: a ı ˆ ´ Ö Î¼ 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 etotal; 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. 31. 2. Sensores 23Sincronizadores e Resolvedores : Sincronizadores s˜ o dispositivos eletromecˆ nicos rotacionais usados para transmitir a ainformacao angular eletricamente, de um lugar para outro, com grande precis˜ o. Basica- ¸˜ amente, o sincronizador e um transformador de acoplamento vari´ vel, consistindo de um ´ arotor de enrolamento prim´ rio AC-excitado muito simples e dois ou mais enrolamentos estatores asimetricamente orientados em torno do rotor (2.3). O acoplamento magn´ tico efetivo entre eo 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 ao acoplamento m´nimo ocorre quando o campo do rotor est´ ortogonalmente alinhado com ı arespeito a um determinado enrolamento dos estatores. Assim sendo, a sa´da do estator for- ıma um conjunto de sinais AC cujas respectivas magnitudes definem unicamente o angulo ˆdo 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. 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 auma 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. 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 egrande 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 amove 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. 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 ıA 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 ˆinicial 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 acolocada em algum ponto da superf´cie. Este tipo de sensor funciona como circuito fechado ıenquanto 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 aque outros pontos de interrupcao sejam adicionados apenas colocando-se mais areas opacas ¸˜ ´na superf´cie do disco. ı

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