Tipos de movimentos para robôs terrestres

Criar um robô que tenha movimentos idênticos aos dos humanos é um objetivo almejado por muitos cientistas e projetistas. Porém, todos nós sabemos que o corpo humano é um sistema muito bem elaborado e fazer com que as máquinas emulem esses movimentos requer muita destreza, materiais leves, uma lógica de programação que atenda as tomadas de decisão e, principalmente, equilíbrio e também uma fonte de energia que atenda todo o sistema.

Um ótimo exemplo disso é o Asimo, fabricado pela Honda – a mesma empresa das motocicletas. O grau de liberdade de seus movimentos e a autonomia da bateria carregada por ele, tornam o robô perfeito para os tempos atuais (foto abaixo).

 

O Asimo
O Asimo

 

 

Imitando cobras e lagartos

Os movimentos que o Asimo (bípede) executa hoje, não são os mais eficientes para certos tipos de trabalho.

Vez por outra, precisamos de robôs que possam se locomover através de dutos de ar ou dentro d’água.

Para aplicações como essas, pernas não seriam um boa opção, mas um sistema que copiasse os movimentos de uma cobra ou outro animal rastejante poderia resolver o problema com perfeição, como podemos ver na figura 2.

 

 Sistema do Pipe Robot, que imita o sistema de rastejar de uma cobra
Sistema do Pipe Robot, que imita o sistema de rastejar de uma cobra

 

Outro sistema que copia o método de locomoção de uma cobra ou lagarto, é o robô do projeto Anna Konda, que foi criado com o intuito de auxiliar no combate a incêndios, transportando a mangueira de água a locais muito quentes que colocariam em risco a vida dos bombeiros.

Outro ponto importante é o acesso desses equipamentos a locais aonde o homem não consegue chegar por uma infinidade de motivos, como: condições atmosféricas, temperatura, ou mesmo segurança. Na figura 3 temos a foto deste robô-conceito.

 

Foto do robô-conceito Anna Konda
Foto do robô-conceito Anna Konda

 

Atuando no mesmo conceito de pressão, porém do lado externo de um cano, temos outro robô-conceito chamado HyDRAS, que foi criado com o objetivo de salvar a vida de operários de obras. A sua forma de se locomover se baseia na pressão que os seus anéis exercem para prender-se a um cano, como faria uma jibóia ao sufocar sua presa. Para se movimentar, este robô libera anel após anel, projetando-se para a frente a cada anel solto, enquanto os outros o prendem ao cano e os que se soltaram prendem-se mais adiante para dar suporte aos outros anéis que serão soltos e impulsionados para o mesmo caminho em um movimento contínuo. Na figura 4 vemos uma foto deste protótipo.

 

Usando a pressão dos módulos para fixar ao cano
Usando a pressão dos módulos para fixar ao cano

 

 

Deslizando por esteiras

O movimento com uso de esteiras já é muito empregado por tanques de guerra e muito útil em terrenos acidentados. Nesse sistema, a idéia é ter uma sequência de peças de metal por debaixo da roda num processo contínuo.

Um exemplo de robô que emprega esteira é o EOD-Robots, construído com o intuito de poupar a vida de soldados no campo de batalha. Estes robôs-soldados são equipados com esteiras iguais aos tanques de guerra, que possibilitam levar uma quantidade grande de peso sobre diversos tipos de terrenos, por mais acidentados que sejam. A figura 5 nos traz um exemplo deste tipo de robô.

Para que esse robô faça uma curva para a direita, por exemplo, é preciso parar, reduzir ou girar no sentido contrário o motor que rotaciona a esteira direita. O mesmo processo funciona para o outro lado.

 

O EOD-Robots carrega, além da garra, um grande arsenal de armas
O EOD-Robots carrega, além da garra, um grande arsenal de armas

 

Ainda para aplicações militares, mas voltado também para as áreas mais urbanas, temos o EOD - Bomb Disposal Robot que possui a finalidade de desarmar bombas. Ele também funciona com esteiras, mas quatro esteiras independentes e móveis, que atuam como pseudopatas. Dessa forma, as esteiras podem ser movidas para cima ou para baixo, exercendo uma força extra em locais de difícil acesso. A figura 6 mostra um pouco mais deste sistema de esteiras.

 

Note que cada esteira possui um atuador
Note que cada esteira possui um atuador

 

 

Utilizando pernas

Nos movimentos que utilizam pernas temos os tipos bípede (duas pernas) como o Asimo e quadrúpede

(quatro pernas), como o BigDog. Os de seis e oito pernas que imitam o andar de insetos, como formigas e aranhas, e os robôs que parecem uma centopéia de tantas pernas que possuem.

Nos robôs bípedes, o ponto mais importante que um projetista deve ter em mente é o equilíbrio. A utilização de sensores e de giroscópios é necessária para manter o senso de equilíbrio, mas não é só isso que ajuda um robô bípede a ficar de pé. Existe toda uma programação de locomoção de massa e um centro de gravidade que necessitam ser colocados em seu sistema.

Os robôs quadrúpedes também precisam receber uma atenção especial quanto ao equilíbrio, porém não tão complexa quanto um bípede. Sua locomoção acontece da seguinte forma:

uma perna dianteira permanece no chão como apoio, enquanto a outra segue para a frente, o mesmo processo acontece nas pernas traseiras, mas de lados trocados, ou seja, enquanto a perna dianteira esquerda se encontra no chão a traseira direita é que fica no chão, como base, formando um X, conforme ilustra a figura 7.

 

Esquema de passo de um robô quadrúpede
Esquema de passo de um robô quadrúpede

 

O robô quadrúpede que fez um certo sucesso na internet e serve como referência para o nosso assunto é o BigDog, alguns vídeos no Youtube mostram como o processo de equilíbrio e locomoção deste robô é fantástico.

 

O BigDog em um teste de laboratório.
O BigDog em um teste de laboratório.

 

Na figura 8 temos a foto dele que, segundo a Boston Dynamics, foi criado para ajudar os soldados a carregarem suprimentos (figura 9).

 

A estrutura do LittleDog, o irmão menor do BigDog
A estrutura do LittleDog, o irmão menor do BigDog

 

Para os robôs de seis pernas, o ponto de equílibrio não é um ponto crítico do projeto, porém uma atenção especial ao sincronismo das pernas deve ser dada. Seu funcionamento pode ser visto na figura 10, onde as pernas 1 e 3 do lado esquerdo e a perna 2 do lado direito estão se movimentando para a frente, a perna 2 da esquerda deve servir de base juntamente com as pernas 1 e 3 da direita, depois a perna 1 e 3 do lado esquerdo e a perna 2 do lado direito alcançam o destino final e se apoiam ao chão, a perna 2 do lado esquerdo e 1 e 3 do lado direito se levantam e avançam para frente e assim sucessivamente.

 

Esquema da trajetória do robô de seis pernas
Esquema da trajetória do robô de seis pernas

 

Fazer uma curva é algo um pouco complexo, pois dependendo do lado que for feita a curva, as pernas deste mesmo lado deverão ter uma trajetória menor que a do outro lado.

Ou, se houver a necessidade de se fazer uma curva mais fechada, as pernas que estão levantadas deverão fazer uma trajetória oposta às outras, rodando em um eixo.

Para aumentar o poder de locomoção de um robô de 6 pernas, a Boston Dinamics colocou em lugar de pernas retas no RHex, pernas em formato de meia lua, possibilitando ao robô superar obstáculos de qualquer tamanho que estejam à sua altura.

Caso o RHex tivesse pernas retas, seria preciso calcular a altura que deveria se ultrapassada e levantar a perna o suficiente para tal. Outro item interessante nesse robô é que suas pernas estão localizadas no centro da altura, ou seja, se ele, por ventura, vier a ficar de ponta-cabeça, a sua locomoção não será prejudicada. (figura 11)

 

O Rhex
O Rhex

 

Nesta mesma linha de robôs com seis pernas temos o RiSe, porém este incrível robô possui ventosas em suas pernas que o fazem capaz de escalar paredes. O processo de locomoção é o mesmo de qualquer robô de seis pernas, porém, quando a perna está servindo de apoio as ventosas são presas à parede (figura 12).

 

O RiSe em sua escalada
O RiSe em sua escalada

 

 

Movimentos com rodas

A roda é um dos mecanismos mais antigos que conhecemos e os robôs fazem bom proveito delas. Sejam elas simples para planos lisos, ou típicas off-roads para planos mais acidentados.

Os robôs que baseiam seus movimentos nas rodas podem ter duas, três ou quatro rodas. Para máquinas acima de quatro rodas, somente duas controlam a direção do robô. O sistema de direção (não de controle) nos robôs de duas rodas é bem simples: consiste em um motor para cada roda, para ir para frente ou para trás e ambos rodam numa única direção.

Para fazer uma curva girando sobre o próprio eixo, é só um motor girar o inverso do outro até completar o grau desejado da curva. Esses robôs, além das duas rodas, possuem um terceiro apoio pequeno e de ponta arredondada para ter pouco atrito.

Na figura 13 temos a foto de um robô de duas rodas, como os que são utilizados nos campeonatos de futebol de robôs.

 

Robô de duas rodas
Robô de duas rodas

 

Nos robôs que possuem três rodas, existem duas formas de controle de direção. Na primeira, duas rodas são fixas e somente uma direciona o robô, que pode ser controlado por um servo ou motor de passo. Na segunda, as três rodas são fixas mas cada uma numa posição perpendicular a outra.

Quando uma direção é escolhida, uma roda para e as outras aumentam a rotação. Para uma melhor rotação, as rodinhas possuem pequenas esferas em torno de sua circunferência para diminuir o atrito na roda que permanecerá parada.

Nos robôs de quatro rodas, o tipo mais comum, duas rodas controlam a direção e duas permanecem fixas (Figura 14). Somente em casos especiais é que encontramos robôs com os controles de direção nas quatro rodas.

 

Controle de direção feito em um veículo mecatrônico de 4 rodas
Controle de direção feito em um veículo mecatrônico de 4 rodas

 

Acima de 4 rodas o robô começa a ficar cada vez mais especial, podendo neste ponto o projetista colocar o controle de direção em cada roda ou em apenas uma roda, deixando para as demais somente e tarefa de carregar o peso da carga.


Movimentos com sistemas híbridos

Talvez este seja o maior desafio para o projetista mecatrônico mostrar toda a sua criatividade em sistemas robóticos. Valer-se de diversos meios para criar um sistema que atenda as necessidades de um robô sobre o terreno que ele irá atuar é uma arte. Podemos citar como exemplo o Soujorner, o veículo robótico que a Nasa criou para explorar o planeta Marte, construído com pernas e rodas com cravos para enfrentar as pedras e o terreno desconhecido do planeta vermelho (figura 15).

 

Soujorner, robô enviado para explorar Marte
Soujorner, robô enviado para explorar Marte

 

Para enfrentar terrenos irregulares e ainda andar por rios e pântanos, a Petrobras possui um robô cujo método de locomoção usa as rodas. Porém, estas rodas são ôcas e possuem aletas que servem de remos para impulsão na água. Notem, na figura 16, que o sistema de direção se dá pelo movimento independente de cada roda.

 

Robô híbrido da Petrobras
Robô híbrido da Petrobras

 

Claro que existem casos em que certamente ficaríamos com uma dúvida em mente: Será que quatro rodas não seriam suficientes? Como disse antes, projetar robôs é uma arte. Portanto, isso fica a critério de quem vê e dentro das necessidade de quem cria. Este é o caso do Robô-barata, onde temos oito pernas com uma roda espetada em cada ponta. (figura 17)

 

Robô-barata
Robô-barata

 

Há, ainda, os robôs que se movimentam através de pequenos pulos, outros por meio de uma bola e que, literalmente, saem rolando por aí; outros que flutuam ou por força do vento, alguns por força magnética; os que se contorcem como minhocas com câimbras e tantos outros que somente as mentes mais criativas podem inventar.

 

Conclusão

Escolher qual é o melhor sistema de direção para um robô não envolve somente o tipo de terreno em que ele deverá se locomover, é importante ver qual sistema gasta menos energia, qual suporta a carga desejada, qual possui mais precisão e fazer as contas para se ter um sistema ideal para aquele determinado robô.

Se comparado com um robô de pernas, um robô com rodas é muito mais rápido, é mais simples de construir e programar e gasta menos energia, ao passo que uma perna tem alguns servomotores a acionar, porém um robô de rodas dificilmente subirá uma escada ou terreno totalmente irregular.

Mas, se analisarmos melhor, talvez um robô com esteira atenda o necessidade de subir uma escada, no entanto, encontrará dificuldases caso seja preciso andar de lado... µFa!

Como repetido algumas vezes neste artigo, a solução terá que ser a melhor forma ou mesmo a mais adequada, ainda que não seja a ideal, que atenda as especificações: terreno, material, consumo e objetivo para o melhor sistema de direção do robô. Espero que este artigo tenha trazido opções interessantes ao apresentar um resumo dos meios de direção normalmente utilizados em robôs para que o leitor possa decidir corretamente qual lhe atende melhor, ou ainda tenha lhe dado as bases necessárias para que ele possa criar um novo sistema de direção quando for projetar o seu robô.

 

Referências Bibliográficas:

http://world.honda.com

http://www.engineersedge.com

http://www.sintef.no/

http://www.sciencedaily.com

http://www.armedforces-int.com

http://www.bostondynamics.com

http://mars.jpl.nasa.go

http://www.labjor.unicamp.br

http://rayandlaura.com

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