Ponto de Partida

O projeto da manipulação robótica iniciou-se com o trabalho de Costa e Silva (2011), em que se desenvolveu um modelo de planeamento e controlo de um braço e de

uma mão robótica do robô antropomórfico ARoS, de forma a este poder executar movimentos unimanuais de alcançar, agarrar e manipular objetos, de modo muito semelhante aos efetuados pelos humanos e livres de colisões. Isto numa primeira versão, posteriormente, adaptou-se um segundo braço e mão robótica no ARoS (concretamente o braço esquerdo) e alargou-se a gama de movimentos “human-

like” unimanuais para bimanuais coordenados assíncronos (Araújo, 2013). Por outras palavras, o sistema de planeamento e controlo do braço robótico planeava e movimentava um braço de cada vez.

A plataforma robótica ARoS foi projetada e construída no Laboratório de Robótica Móvel e Antropomórfica do Departamento de Eletrónica Industrial da Universidade do Minho (Silva, 2008). Esta consiste num tronco estático equipado com dois braços antropomórficos (recentemente adicionado o segundo braço) com 7 graus de liberdade em cada braço (ombro - 3 DOFs, cotovelo - 1 DOF, pulso - 3 DOFs); duas mãos robóticas com três dedos cada, o que perfaz um total de 4 graus de liberdade, por cada mão; um sistema de visão estéreo e também um ecrã disposto no seu peito. Na figura 1.6 pode-se ver uma foto do robô.

Figura 1.6: Robô antropomórfico ARoS da Universidade do Minho

Existem muitas maneiras para permitir que o robô agarre um determinado objeto, pois este pode ser agarrado em diferentes posições e orientações. Para além do mais, devido às caraterísticas do braço robótico, para uma determinada posição e orientação da mão este consegue obter uma grande variedade de possíveis posturas

do braço. Consequentemente, com a existência de requisitos como a velocidade e a duração do movimento, faz com que sejam possíveis várias e diferentes trajetórias para o braço e mão. Assim sendo, o modelo de planeamento de movimento desenvolvido permite solucionar estes problemas de redundância presentes aquando da ação de alcançar, agarrar e manipular objetos num espaço de trabalho tridimensional. O modelo de planeamento para movimentos unimanuais foi baseado em estudos de observação do comportamento e movimentos humanos, respetivamente dos braços e das mãos:

• O planeamento de movimento é realizado no espaço articular ou espaço das juntas (Graziano et al., 2002; Desmurget and Prablanc, 1997);

• As articulações movem-se em sincronia (Breteler and Meulenbroek, 2006); • O planeamento de movimentos é dividido em dois subproblemas (Elsinger and

Rosenbaum, 2003):

1. Seleção de uma postura final; 2. Seleção da trajetória.

A seleção da postura final é calculada antes do cálculo da trajetória e varia em função da postura inicial.

• O robô evita a colisão com os obstáculos através da sobreposição de dois movimentos: a) um movimento direto da posição inicial à final e b) um movimento de back-and-forth, ou seja, da posição inicial a uma intermédia (em que não haja colisão com o/os obstáculo/s, chamada postura de bounce) e para trás (Rosenbaum et al., 1999). Este último movimento, apresentado na alínea b) é também chamado de movimento de bounce.

• As articulações do braço apresentam uma velocidade angular em forma de sino (do Inglês bell-shaped) (Wada and Kawato, 2004; Rosenbaum et al., 1995). O planeamento do movimento para um braço começa com a seleção de uma

2) a informação do Sistema Cognitivo acerca do objeto-alvo e do modo apropriado

para o agarrar e 3) a informação dada pelo sistema de visão relativamente à posição e orientação dos objetos no cenário. O modo apropriado para agarrar o objeto, dado

à priori pelo sistema cognitivo, é escolhido de entre os quatro possíveis modos de

agarrar, ou mais comummente chamados de tipos de grip. Estes são: • Polegar à esquerda do objeto, ver figura 1.7a;

• Polegar à direita do objeto, ver figura 1.7b; • Polegar por cima do objeto, ver figura 1.7c; • Polegar abaixo do objeto, ver figura 1.7d.

(a) (b) (c) (d)

Figura 1.7: Tipos de grip: ponto de partida

O processo de escolha da postura final para o braço e mão robótica do ARoS divide- se em: a) seleção do conjunto de valores das juntas dos dedos da mão (definidos pelo tipo de grip) e b) seleção do conjunto de valores das juntas do braço. Deste modo, para a seleção do conjunto das juntas do braço, tem-se em conta a minimização do custo associado ao movimento das juntas de uma posição inicial a uma final e um conjunto de restrições que permitem definir a postura ideal, como por exemplo: os limites máximos e mínimos de cada junta, a orientação e posição do objeto-alvo, os obstáculos, entre outros.

Tendo-se a postura final encontrada, segue-se para a seleção da trajetória que pode ser constituída pela sobreposição de dois movimentos: movimento direto e movimento de bounce. Para cada junta, a trajetória respetiva ao movimento direto da posição inicial à final é calculada. Seguidamente, de forma a verificar se existe

alguma colisão com obstáculos ao longo dessa trajetória, é usado o algoritmo da cinemática direta para, internamente, simular todo este movimento direto. Assim sendo, se nenhuma colisão for antecipada o movimento é executado, caso contrário, entra em ação o movimento de bounce. Para este movimento seleciona-se uma postura de bounce adequada de modo a permitir determinar o movimento de back-and-forth, a ser sobreposto ao movimento direto. Para selecionar esta postura de bounce, usa-se o mesmo critério que para a postura final, isto é, o mínimo deslocamento das juntas. Para além deste utiliza-se um outro critério, o assegurar um movimento desde o inicio ao fim livre de colisões, considerando algumas restrições.

Figura 1.8: Fluxograma respetivo ao planeamento de movimento de um braço e mão: ponto

de partida. Fluxograma retirado de Costa e Silva (2011)

um só braço e mão (ou seja, movimento unimanual). Para uma melhor compreensão, a figura 1.8 apresenta o respetivo fluxograma.

Relativamente aos movimentos bimanuais assíncronos, estes são planeados de forma semelhante devido ao facto de serem assíncronos. Para tal basta diferenciar no modelo o braço esquerdo do direito. Os tipos de grip representados na figura 1.7 são válidos para a mão esquerda e direita.