Robot Bípede

Robot Bípede

Luís Pires e Jorge Antunes lpires@inete.net INETE- Instituto de Educação Técnica

Estes tipos de locomoção contêm vantagens em relação às rodas, como proporcionarem uma maior manobrabilidade em terrenos irregulares e em desníveis acentuados, e a possibilidade de ultrapassar um obstáculo sem ter de o contornar. Este tipo de locomoção contém várias desvantagens, como não conseguir igualar a velocidade e simplicidade de um sistema a rodas, que contém um menor número de componentes e onde não é necessário existir um grande controlo do equilíbrio do robot.

Assim, este projeto de cariz académico tem como objetivo desafiar os alunos no sentido de desenvolverem soluções robóticas sem o uso de rodas, encontrando pontos de convergência tecnológica, com recursos relativamente baixos, contemplando soluções modulares e open source.

robótica 107, 2.o Trimestre de 2017

robótica

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artigo científico

Hoje em dia, com o avanço da tecnologia, a robótica cada vez mais começa a abandonar o uso de rodas e progride para outros tipos de locomoção, como a locomoção bípede ou quadrúpede.

1. INTRODUÇÃO O projeto desenvolvido por alunos do curso Técnico de Eletrónica, Automação e Comando do INETE [1] é um robot bípede capaz de se locomover através de dois membros locomotores, semelhantes ao Ser Humano, integrando capacidades sensoriais ao nível da visão por câmara. Apesar deste tipo de locomoção não conseguir igualar em velocidade e simplicidade, quando comparado com uma locomoção a rodas, que contém um menor número de componentes e não é necessária grande preocupação com o centro de massa do robot nem com a coordenação de todos os atuadores, esta torna-se, contudo, mais vantajosa quando o ambiente é irregular, por exemplo, com desníveis. O robot utiliza ao todo 9 servos, 3 para cada membro, conseguindo assim simular 3 articulações base (tornozelo, joelho e anca), 2 servos adicionais para a anca e 1 servo para a zona lombar para tentar equilibrar o centro de massa do robot. A anca é a parte mais problemática do robot, visto que esta contém 2

movimentos distintos, uma rotação frontal e uma rotação lateral, sendo esta última bastante importante pois é também usada para equilibrar a massa do robot.

Para o constante equilíbrio do centro de massa, o robot integra um acelerómetro/giroscópio ligado por I2C ao Arduíno Mega. Para que o robot tenha em consideração os obstáculos no meio ambiente, este tem integrado uma câmara, ligada por CSI ao RaspberryPi 2. É o RaspberryPi que processa todos os comandos de movimentos para o Arduíno conseguir atuar sobre os motores. A sua estrutura física está demonstrada através da Figura 1.

A estrutura em geral foi desenhada com espessuras grandes. Isso fez com que a estrutura física (altura 294 mm, comprimento 236 mm, largura 127 mm e peso de 4 kg) ficasse bastante sólida e estável, trazendo a desvantagem do peso acrescido.

Este robot tem como objetivo recriar a locomoção bípede da forma mais autónoma possível. O projeto é totalmente impresso em 3D usando PLA como filamento. Assim, a estrutura do robot é

Figura 1. Aspeto físico do robot.

móvel, compacta e leve de modo a que este seja capaz de se deslocar facilmente utilizando apenas os servos. Contém 9 servos com torque de 15Kg×cm cada, que garantem ao robot mobilidade dentro do ambiente em que está envolvido, assim como força suficiente para transportar baterias e ainda aguentarem o peso da estrutura em si. Para o robot se movimentar por entre o ambiente, este está equipado com uma câmara desenhada para o Raspberry Pi, a RaspiCam v2 de 8MP – esta é usada pelo robot para conseguir detetar obstáculos visíveis no seu caminho.

Uma das grandes preocupações nesta área da robótica é o equilíbrio do robot, que é constantemente verificado por um acelerómetro de 16 bits. Este é controlado pelo Arduíno Mega que é responsável por um nível mais baixo de controlo do robot e executa um algoritmo PID para esse mesmo fim.

Este projeto é alimentado através de duas baterias externas (uma de 2450 mAh com 7.3 V e outra de 10400 mAh de 5 V).

2. ARQUITETURA DO ROBOT Para a execução de processos é necessário um sistema de controlo, cujo principal objetivo é gerir um número de peri-

2.7. Algoritmos Desenvolvidos A Figura 3 representa o algoritmo geral implementado no robot, recurendo as linguagens de programação C/C++ e Python.

3. CONCLUSÃO Este tipo de locomoção possui vantagens em relação às rodas, tais como proporcionarem uma maior manobrabilidade em terrenos irregulares e em desníveis acentuados, assim como a possibilidade de ultrapassar um obstáculo sem ter de o contornar. Possui também desvantagens, como o facto de não conseguir igualar a velocidade e simplicidade de um sistema a rodas. Isto foi notório na construção e no design da estrutura física.

Apesar da complexidade acrescida, o conceito de locomoção bípede tem sido cada vez mais introduzido na robótica, pois pode servir de grande ajuda em situações como o salvamento de vítimas. Com este tipo de locomoção o robot consegue ultrapassar obstáculos e ir a locais onde antes apenas humanos conseguiam ir. O projeto apresentado neste artigo teve uma primeira versão como projeto de uma Prova de Aptidão Profissional em 2016. [7]

4. REFERÊNCIAS [1] [2]

http://www.inete.pt; Pires, L., Microcontroladores AVR, Sistemas Digitais, INETE, Setembro 2014, Portugal;

[3]

http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega;

[4]

http://www.atmel.com;

[5]

https://www.raspberrypi.org;

[6]

http://www.arm.com;

[7]

Jorge Antunes, BipedBot, Prova de Aptidão Profissional, INETE, 2016.

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Dynamics, quatro membros locomotores no caso do SPOT da Boston Dynamics e oito membros locomotores usados nos robots aranha. Este tipo de locomoção consegue ultrapassar obstáculos e desníveis facilmente, pois consegue sobrepor-se às irregularidades no terreno e controlar o centro de massa do robot.

A locomoção com dois membros acrescenta um maior nível de complexidade em relação a outros, porque a área de contacto com o chão não cria uma área de base suficiente para que o robot esteja estável, como é o caso da locomoção a rodas ou até locomoção com quatro membros ou mais.

Para solucionar este problema é necessário incluir o equilíbrio do robot. Os próprios movimentos têm de ser coordenados e precisos para poder reproduzir a sequência dinâmica do andar, pois ao observarmos o Ser Humano, pode verificar-se que o andar está constantemente a adaptar-se ao terreno fazendo ajustes constantes nesses movimentos. Isto é algo difícil de se conseguir, pois temos de incluir valores de referência, neste caso os valores target de X, Y e Z do acelerómetro, e fazer alterações diretas nos movimentos dos servos que conseguem alterar a posição do robot nos 3 eixos. No caso deste projeto, os servos da anca conseguem atuar sobre o eixo X do robot e os servos do joelho e tornozelo são usados para equilibrar o robot no eixo do Y.