Pedro Israel Silva Francisco Ferreira Solien, Soluções Integradas em Engenharia, Lda.
Neste artigo apresenta-se, sucintamente, um caso de estudo de utilização de giroscópios para a simulação de forças sobre a cabeça de um utilizador de simulador de desportos motorizados. Desenvolveu-se um programa informático para, com o auxílio da introdução de condições definidas pelo seu utilizador, obter e otimizar as caraterísticas mecânicas de um sistema governado por giroscópios. Numa 2.ª fase pretende-se o dimensionamento de uma solução para esse sistema inercial composto por múltiplos giroscópios.
O projeto foi cofinanciado pelo Portugal 2020, no âmbito do Compete 2020 realizado pela Solien – Soluções Integradas em Engenharia, Lda. entre 2016 e 2019 devido às diversas inovações conseguidas na investigação e desenvolvimento. Palavras-chave: Capacete Inercial, Giroscópio, Gimbal, Imersão, esports.
robótica
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nota técnica
Desenvolvimento de protótipo de um sistema inercial
1. INTRODUÇÃO O mercado de jogos eletrónicos, mais concretamente os esports - jogos eletrónicos cujo tema é o desporto, assinalou nos últimos anos um crescimento exponencial. De acordo com dados disponibilizados online [1], em 2012 a receita deste mercado foi de 130 milhões de dólares, crescendo para 865 milhões de dólares em 2018, e projetando-se uma aproximação a 1,79 mil milhões de dólares em 2022. Uma fatia cada vez maior destes jogos pertence aos desportos motorizados, promovida pela proliferação de periféricos de simulação e imersão virtual [2], [3]. Neste sentido, a liberdade de movimento dos segmentos corporais superiores é importante, porque atua como um fator que ajuda à imersão do utilizador na experiência de condução, dado que é na cabeça que se situa o aparelho vestibulococlear. Manipular as forças sentidas por este aparelho, provocando no utilizador um equilíbrio ou desequilíbrio deste, no sentido de o induzir a sentir que está a conduzir um carro no mundo real é, pois, um aspeto chave. Assim, a Solien, Lda. deu início à investigação e desenvolvimento de um protótipo que prove o conceito de um capacete de natureza inercial. Este conceito deve permitir ao seu utilizador sentir as forças que normalmente são sentidas por um condutor, durante a utilização de um veículo no mundo real.
2. EXPLORANDO A IMERSÃO Existem várias formas de gerar forças no pescoço ou cabeça de um indivíduo. Uma delas, e a que está na origem deste trabalho,
é utilizar a capacidade inercial de um ou mais giroscópios atuando em conjunto. Para o caso em estudo é aconselhável considerar simplificações no tratamento matemático que se impõe, desde que estas não comprometam a fidelidade dos resultados. Assim foram admitidas as seguintes hipóteses nessa condição: • Corpos rígidos; • Atrito desprezável; • Drift giroscópico desprezável; • Efeito de Coriolis desprezável; • Condição de equilíbrio dinâmico durante o funcionamento do conjunto; • Ausência de gimbal lock e nutação; • Peso de componentes que não o dos giroscópios, desprezável no programa; • Ausência de períodos transitórios nas velocidades angulares ωspin e ωprec. Suponha-se, então, que um protótipo tirará partido deste modo de geração de forças, através de um giroscópio em rotação em torno do seu eixo de simetria, motorizado eletricamente, e cuja precessão será induzida através de um segundo motor elétrico, num eixo perpendicular ao primeiro.
3. GIRODINÂMICA O problema centra-se no cálculo do binário giroscópico τgyro obtido, sempre que se lhe altere a orientação, através de um binário externo, e mantendo inalteráveis outras variáveis como a posição no espaço, a massa do sistema, e a velocidade de rotação do giroscópio. Estamos, portanto, perante um problema de Dinâmica [5] (de Corpo Rígido). A girodinâmica compreende as relações existentes entre os fenómenos físicos de binário aplicado ao sistema (neste caso τcontrol), velocidade angular ωspin, velocidade angular de precessão ωprec, e binário giroscópico τgyro. É importante reter que todos estão interligados, e acontecem simultaneamente [4].
Figura 1. Componentes de τgyro , τxprod segundo x, e τzprod segundo z.