Integração de Dispositivos Robotizados na Representação em
Arquitetura e no Design
Integration of Robotic Devices to Representation in Architecture and Design
Stefano Mega
Graduando, Faculdade de Arquitetura e Urbanismo USP stefano.mega@gmail.com Artigo derivado do TFG realizado para a graduação no curso de Arquitetura e Urbanismo da USP em junho de 2013 Orientador:
Professor Doutor Arthur Hunold Lara
Faculdade de Arquitetura e Urbanismo USP arthurlara@usp.br
Resumo
Há alguns anos o interesse de grandes estúdios de arquitetura e design voltou-se para o emprego de braços robóticos, originários da indústria, na Fabricação Digital (FD) in-house de protótipos, modelos e mesmo de peças acabadas (BRAUMANN, 2011, p. 247). O recente interesse pode ser indicativo de mudanças importantes nos processos de produção de arquitetura e design. A pesquisa verifica as condições das instituições de ensino de empregar dispositivos robóticos na formação de seus alunos e profissionais.
Normalmente os robôs são empregados pelos grandes escritórios e recentemente se tornaram acessíveis a profissionais de escritórios menores, escolas e centros de estudos. Busca-se com este artigo, soluções disponíveis no comércio especializado de eletrônicos, hardware e aplicativos de design aberto e acessíveis em rede.
Palavras chave: Fabricação Digital; Modelos; Modelagem Paramétrica; Fresagem; Robótica;
Abstract
In the last few years the interest of major architecture and design studios is being drawn towards the employment of robotic arms, originary of the industrial setting, for the in-house Digital Fabrication of prototypes, scale models and even finished parts (BRAUMANN, 2011, p. 247). This recent interest may be an indicative of important changes on in the architectural and design productive processes. The research also to enable educational institutions to integrate it in the education of new professionals.
Larger robots are usually employed by large firms and they’ve recently became accessible to professionals from smaller firms, schools and studies centers. This paper also seeks widely available in electronics specialized shops, hardware and open design software, accessible through the network.
Introdução de Robôs na Arquitetura
Em 2011 o escritório norueguês Snøhetta (BRAUMANN, 2011, p. 247) trouxe para dentro de seu estúdio de arquitetura um robô industrial com a intenção de usá-lo para criar o Wild Reindeer Center Pavillion99, um espaço que inclui um maciço feito com largas toras de
pinho, transformado pelo robô em uma superfície de formas livres.
O interesse em estudar a relevância da introdução de dispositivos robotizados na arquitetura e no design surgiu justamente com a observação dessa nova aplicação em obras inaugurais, como a descrita acima. O que levou um grupo de arquitetos e designers a tirar os robôs industriais de seu contexto original e empregá-los em seus escritórios para a produção de peças únicas – seriadas ou não – que se afastavam da produção repetitiva massificada?
Antes de tudo, é importante situar a técnica histórica e teoricamente. A representação na arquitetura surgiu no contexto do iluminismo, num percurso de descolamento entre conceber e fazer no renascimento (TEIXEIRA, 2010, p.17), com o surgimento de divisões distintas entre quem faz e quem constrói.
A partir do nascimento do saber científico, a representação surgiu como uma via de comunicação, direcionada de quem a cria para quem a executa. Com esta pesada tarefa de transmissão do saber, a representação tinha a obrigação de ser fiel à tecnologia empregada na execução. O desenho, as linhas e o sistema mongiano100 deveriam representar a ortogonalidade das paredes e suas especificações: espessura, altura, paralelismo, etc. Toda a representação imitava, no espaço bidimensional, as etapas a serem construídas em detalhes gráficos.
Segundo Teixeira (2010, p. 45) a representação na prancheta dá lugar, no início dos anos 80, aos programas de computer-aided design (CAD) e computer-aided design and drafting101 (CADD), mais tarde também em aplicativos de modelagem paramétrica e Building
Information Modeling102 (BIM). Ao estudar o surgimento das primeiras arquiteturas de forma
livre, criadas com ferramentas digitais, Natividade (NATIVIDADE, 2010, p. 145) aponta que, no início, o computador foi usado apenas para representar e visualizar formas criadas analogicamente, mas que com o tempo a arquitetura contemporânea buscou nas ferramentas digitais, novas explorações formais
99 Uma construção localizada nas montanhas Dovre, na Noruega, usada como centro educacional por uma instituição de
caridade, o Wild Reindeer Foundation. Maiores informações sobre o projeto podem ser obtidas na página eletrônica do escritório: http://www.snoarc.no/#/projects/239/false/culture/
100 Uma referência a Gaspard Monge, criador da geometria descritiva, que estabelece uma série de procedimentos que permitem
que objetos tridimensionais sejam representados no plano.
101 A palavra drafting, refere-se à capacidade que esses aplicativos têm de fazer simulações grosseiras de conforto,
sustentabilidade e custos logo a partir dos primeiros traços do projeto. Esses estudos iniciais – atrelados à planilhas de financiamento, custos e etc. – ajudam a determinar se a obra é ou não viável desde o princípio.
102 Quando arquiteturas de formas complexas surgiram viabilizadas pelas ferramentas digitais, os modelos de representação
tradicionais tornaram-se obsoletos. Os programas de BIM têm a função de centralizar e articular informação onde “é possível representar objetos arquitetônicos de modo ‘não projetivo’, ou seja, por meio de representação de objetos inteiros, onde todas as relações entre as partes podem ser observadas de maneira holística.” (NATIVIDADE, 2010, p. 173). Um modelo mestre reúne a informação produzida por diversas equipes e disponibiliza-a seletivamente para que outras equipes possam continuar o trabalho.
“A importância de estudar a metodologia empenhada no projeto do Museu Guggenheim de Bilbao quase 15 anos depois de sua inauguração reside no fato de essa foi a primeira vez que o potencial das novas técnicas oriundas das ferramentas digitais foi empregado. As novas possibilidades no campo da representação, (...) adicionadas às técnicas de parametrização e análise de desempenho fazem deste edifício um grande marco na história da Arquitetura e absolutamente fundamental na história das arquiteturas digitais.” (NATIVIDADE, 2010, p. 145)
O produto legítimo da relação entre essas modernas técnicas de representação de projeto e Fabricação Digital (FD) deve ser um objeto que não existe apenas como um substituto de modelos arquitetônicos de estudo103 que poderiam ser executados manualmente. No caso específico do uso de robôs poliarticulados, fabricar digitalmente é encurtar as etapas e divisões de trabalho entre o criar e o fazer. Com o envio direto do modelo 3D da tela para a linha de montagem no escritório, elimina-se as figuras do mestre de obras, dos ajudantes, dos empreiteiros e de todos os auxiliares que constituíam a cadeia produtiva pré-fabricação digital.
Com o fechamento e encurtamento do ciclo produtivo em torno de uma única pessoa, o fazer e o conceber dissociados, característicos do iluminismo desaparecem gradativamente e assim inicia-se o afastamento dos sistemas tradicionais de montagem baseados no empilhamento e na gravidade, voltados para a colagem e justaposição de peças seriadas: o tijolo. Novos materiais e formas construtivas abrem novos campos de experimentação formais.
Com essa nova estrutura de pensamento e instrumentos, torna-se possível materializar formas complexas, construídas através da repetição e de transformações angulares de um componente base;ou através da conexão de pequenas peças com variações de desenho que juntas articulam um todo. A forma passa a ser moldada pelos parâmetros que coordenam as ligações ou uniões entre as partes. Como resultado, ao variar os dados geradores, varia-se também a forma, conferindo flexibilidade e dinamismo à criação e edição do modelo.
Para que a representação seja também flexível ela deve acompanhar o modelo em sua lógica de programação. Assim, ela deixa de imitar as condições da linha de montagem ou do canteiro e passa a se ater à lógica da programação, ao fluxo de dados e a satisfação formal do autor-programador. Ou seja, não haverá criação na era digital sem que se tenha algum domínio da linguagem de programação e o projeto será consequência de um novo balé abstrato de zeros e uns – do sistema binário –, concebido na mente e executado por máquinas incansáveis, precisas e extremamente obedientes às regras programáticas.
Com a nova representação, o projetista se vê obrigado a repensar sua relação com os instrumentos. Se hoje, por um lado, uma única pessoa é capaz de projetar, fabricar e montar projetos que há duas décadas requereriam o emprego de uma equipe com treinamento de uma vida inteira para obter resultados similares, por outro lado, como na representação digital, o conjunto de ferramentas disponíveis também requer o domínio de um novo conjunto de
103 Ou seja, representação e não de simulação
conhecimentos e uma nova postura do arquiteto e do designer, que se tornaram também detentores do poder de fabricar suas próprias obras.
Os braços robóticos, assim como outros equipamentos de Computer Numeric Control (CNC) que, até a última década estavam ligados exclusivamente à manufatura de peças mecânicas. Seus aplicativos também são inespecíficos, voltados para o uso de produção em série, como apontado por Brawmann e Cokcan:
“One problem arises as soon as (parametric) freeform designs are to be materialized: architects do not have appropriate software to control the very end of the overall design process: fabrication. Leading CAAD developers have so far not provided adequate solutions for directly linking different types of machines to CAD systems. The building industry involved in freeform architecture has overcome this deficit by developing their own “in-house” custom-made software tools.” (BRAWMANN, 2011, p. 239)
Recentemente, esta pesquisa encontrou uma única exceção a ausência de aplicativos específicos. A Association for Robots in Architecture104 foi desenvolveu o KUKA|prc que,
através de um sistema de componentes no Grasshopper105 (um plugin de modelagem paramétrica de uso livre e de código aberto, para o aplicativo Rhinoceros106), permite que robôs da empresa alemã KUKA sejam controlados, sem nenhum custo adicional e acessivelmente, já que esta solução está integrada a um ambiente de modelagem paramétrica amplamente usado. O menor modelo dessa empresa tem um custo cem vezes menor que os braços empregados nas empresas automotivas.
Seguindo esse exemplo, para o dispositivo desenvolvido neste experimento, também foi criada uma definição para Grasshopper com a função de simular o funcionamento do dispositivo e produzir a informação correta a ser passada para os motores. Não foi possível usar o KUKA|pcr, já que funciona apenas com os modelos dessa empresa.
Com a disseminação e o barateamento gradual destes dispositivos, ter-se-á uma mudança dramática da representação, remodelando todos os níveis e profissões aproximando-as uma das outras. O artigo da revista britânica The Economist ilustra com clareza os princípios básicos dessa revolução:
“Most jobs will not be on the factory floor but in the offices nearby, which will be full of designers, engineers, IT specialists, logistics experts, marketing staff and other professionals. The manufacturing jobs of the future will require more skills (…)
The revolution will affect not only how things are made, but where. Factories used to move to low-wage countries to curb labour costs. But labour costs are growing less and less important: (…) And some products are so sophisticated that it helps to have the people who design them and the people who make them in the same place. (…) in areas
104 Um grupo que, formado por arquitetos, nasceu como um braço da Universidade de Tecnologia de Viena e, hoje, dedica-se à
produção de artigos científicos, experimentos e desenvolvimento de aplicativos para robôs.
105 Desenvolvido por Andy Payne, como parte de seu doutorado em Harvard; e Jason Kelly, um professor assistente na Californa
College of the Arts em São Francisco, na Califórnia.
such as transport, computers, fabricated metals and machinery, 10-30% of the goods that America now imports from China could be made at home by 2020 (…)” (THE THIRD, 2012, p. 2)
Robôs no Ensino de Arquitetura e do Design
Um investimento em dispositivos robotizados deste porte, muitas vezes não é compatível com o uso educativo em escolas públicas e, portanto, ficou decidido que pesquisar uma solução própria seria o objeto de estudo desta pesquisa já que, nos últimos anos, tornou-se possível encontrar kits catornou-seiros de braços para uso em escritórios e residências. Apesar de mitigar o custo, existe ainda problemas com a interface. Aqui foi utilizado o sistema paramétrico decontrole baseado em Grasshopper e Rhinoceros.
No entanto, durante o desenvolvimento do sistema para a pesquisa – que usa muitos componentes –, pode-se constatar que um problema de sincronia na atualização dos dados de saída em relação aos de entrada:
x Pela frequência com que os diversos componentes atualizam os cálculos dos resultados fornecidos através de suas variáveis de retorno.
x Pela linearidade característica da linguagem de programação visual do Grasshopper que demanda que todos os dados passem por cada um dos componentes, da esquerda para a direita.
A potencialidade dos dispositivos aliada à nova metodologia de projeto desencadeará uma era de produção de artefatos individualizados e customizados. O que se verifica – graças a fatores ligados à introdução da programação à equação do processo criativo e, consequentemente, à representação digital – é a exaustão do modelo de projeto atribuído ao nome de indivíduos, para o modelo onde se credita equipes e a autoria é associada a mais de um profissional.
Os meios que possibilitaram essa mudança estão listados abaixo:
x Uso de algoritmos, que são sequências finitas de instruções usadas para resolver problemas específicos;
x Linguagem endentada. Ou seja, uma linguagem encapsulada, onde os detalhes de cada módulo de código são compartimentados em unidades funcionais bem definidas, relacionando-se com outros módulos através de uma pequena interface ou “dentes”. x Open source code. Recursos disponíveis sob essa licença abrem as portas para a
produção de trabalhos derivativos, ou seja, soluções desenvolvidas por programadores podem ser simplesmente adaptadas mesmo por arquitetos e designers sem a experiência necessária para desenhar seus próprios códigos. x Aplicativos BIM (ver nota de rodapé 4, na página três deste trabalho).
É importante ressaltar também que, sem o devido cuidado, essas novas tecnologias de FD – como a que este trabalho se propôs a estudar – podem ser introduzidas nos escritórios e, mesmo assim, ser subaproveitadas por falta de conhecimento. Barbosa e Celani (BARBOSA, 2012, p.446) advogam pela importância de se formar profissionais que, além de
saberem usar o computador como ferramenta potencializadora da criatividade – e não mero substituto da prancheta –, tenham também conhecimento sobre os métodos que serão empregados na fabricação dos designs criados, assimilando-os à intenção de projeto.
“If these professionals had better understanding of the CAM process they could make use of such sophisticated production techniques.
This Method of construction, which has been called ‘file-to-factory’, eliminates the necessity of intermediate representations between the designer and the final building components.” (BARBOSA, 2012, p.446)
Os autores evidenciam que, na ausência de um conhecimento arraigado sobre o funcionamento de aplicativos de Computed-Aided Manufacturing (CAM), permanecem dissociados projeto e FD e toda a cadeia produtiva sofre com isso:
x Desenhos infactíveis precisam ser refeitos para levar em conta limitações do processo de fabricação. Um exemplo seria desconsiderar o ângulo e o sentido de trabalho da ferramenta de fresadoras e tentar criar peças com simetria esférica, usando essa tecnologia.
x Adaptações de projeto feitas por intermediários107, que são obrigados a agir em resposta aos problemas criados pelo projeto concebido em dissociação aos processos de fabricação.
x Preservação da falta de compatibilidade entre aplicativos. Quando não há demanda pelo desenvolvimento de soluções de software que integrem as diversas etapas do processo produtivo e eliminem as distorções causadas pelas consecutivas mudanças de formato necessárias para que o projeto digital converta-se em objeto físico, tudo permanece igual.
Anita Aigner, que anteviu o uso dos braços na arquitetura em 2009 (AIGNER, 2009, p. 433), alerta para o fato de que a lógica pictórica108 das formas de representação digital tende a esconder aspectos importantes da fabricação e exequibilidade de estruturas, que acabam deixando para uma fase mais tardia do projeto acrescentando custo, aumentando o desperdício e, se acompanhado de um desconhecimento da ferramenta de fabricação, levando a sofríveis resultados visuais de continuação de superfícies de forma livre109.
“Architects mostly are overstrained with the requirements coming along with the production of complex shapes. For the purpose of presentation they start with renderings (“pictures”) showing the visible hull and not the structure of an architectural object. These
107 Por exemplo, funcionários que cuidam do equipamento nas empresas de FD. Com grande conhecimento técnico são
responsáveis por garantir que a fabricação aconteça corretamente minimizando desperdícios de tempo, material e energia para a empresa e isso inclui adaptar projetos que desrespeitem quesitos práticos.
108 A autora explica que os aplicativos de modelagem paramétrica são complexos o suficiente para dominar o processo projetivo
e que não é incomum que projetos sejam definidos exclusivamente por essa pictorialidade, desconsiderando o papel que a estrutura deve desempenhar nas decisões formais e na exequibilidade do todo.
109 Se o profissional não incorpora ao projeto a divisão necessária para a fabricação de grandes peças de forma livre durante o
processo de fabricação, de forma a torná-las parte da solução final, superfícies repartidas ao meio aleatoriamente surgirão, com distorções visuais graves para a forma edificada.
digital 3-D models, created to convince clients and constructors, tend to neglect manufacturing structures and feasibility.” (AIGNER, 2009, p. 433)
Como exemplos das tarefas que podem ser executadas para aproveitar as aptidões específicas de braços robóticos, pode-se citar a manipulação, empilhamento e encaixe de objetos complexos com precisão; a adaptabilidade do equipamento, que écapaz de empregar diversos tipos de ferramentas:
x De remoção, como por exemplo, fresas e brocas;
x De adição, exemplificadas por pistolas de tinta e extrusores de plástico;
Os braços KUKA – mencionados anteriormente neste artigo – já são vendidos com uma extremidade adaptável, que serve justamente para facilitar a flexibilidade de usos característica desses robôs. Os outros robôs – que serão apresentados no próximo capítulo – teriam que passar por adaptações mais drásticas para serem usados com outras ferramentas, já que nativamente esta necessidade não está contabilizada em seus desenhos.
Nesse sentido, fica claro que os robôs são excelentes opções tecnológicas para a solução do problema da fabricação de formas complexas paramétricas, desde que aliados conhecimento apropriado. A Figura 1 ilustra um workshop ministrado pelo grupo RoboFold110onde os participantes modelaram parametricamente e de fabricaram elementos modulares para a criação de fachadas de edifícios usando braços robóticos.
110 Um grupo de ingleses, baseado em Londres, que vem trabalhando com técnicas de dobras estruturais de chapas metálicas
Figura 1: Workshop de fabricação robotizada de elementos metálicos para fachadas, realizado nas dependências do grupo, em Londres.
A Relevância do Design Aberto
A preocupação com o ensino e com os empecilhos citados direcionaram o desenvolvimento de um dispositivo que pudesse ser adaptado às necessidades específicas acessíveis a qualquer pessoa ou estudante.
A placa controladora utilizada neste projeto é, em si, um ícone do design aberto.
Criação do italiano Massimo Banzi, o Arduino foi desenvolvido em 2005 para que seus alunos do Interaction Design Institute de Ivrea pudessem começar aprender eletrônica diretamente na prática.
A plataforma usa a linguagem Processing. Desenvolvida no MIT (Massachussets Institute of Technology), é também aberta, amigável e já vem com uma IDE (Integrated Development Environment). A plataforma Arduino abre assim, um espaço inusitado para a criação de soluções tecnológicas em áreas antes dominadas exclusivamente por grandes fabricantes. O Arduino tem tensão compatível com a das saídas para periféricos dos computadores – ou seja, 5V – e pode ser alimentado diretamente através de um cabo USB.
O Grasshopper – que também se tornou um dos principais viabilizadores do desenvolvimento do dispositivo robótico desta pesquisa – é o primeiro aplicativo de modelagem paramétrica a ser distribuído sem nenhum custo e um dos responsáveis pela popularização desta metodologia de projeto já que, além de livre, introduz uma interface de programação visual intuitiva integrada a um Source Development Kit (SDK).
Alternativas Para o Ensino
A pesquisa se esforçou para buscar os resultados mais relevantes – mostrados na Figura 2 –, que foram transcritos e comparados no parágrafo a seguir. Como nem todos os dados oferecidos pelas empresas são padronizados, a seleção estabeleceu-se segundo os seguintes critérios:
x Primeiro se o dado está presente em todos os – ou pelo menos na maioria dos – modelos;
x Segundo, foram incluídos também dados que, mesmo não sendo diretamente comparáveis fossem relevantes para o critério de desempate.
Figura 2: Levantamento dos robôs disponíveis no mercado. A Æ Sci-Arm; B ÆKit Braço Robótico sem nome, adquirido na rede; CÆ KUKA KR 6 R900 sixx; D Æ CrustCrawler AX-18A; E ÆCEBEKIT
C9895.
Fontes: 01-12.13.21-1-270x201.jpg, 2013; 01-12.14-1-270x201.jpg, 2013; 2013-05-01-12.17-1-11.08.02-270x201.jpg, 2013; c-9895-0.jpg, 2008; ROBOFOLD, 2011; sci_arm.jpg, 2012;
A Æ Sci-Arm
A XBot é a empresa que fabrica este modelo. Fundada em São Carlos em 2007, fabrica e comercializa robôs e componentes compatíveis com o uso nas áreas de educação e entretenimento. É incubada pela da FAPESP e participa do programa de fomento tecnológico do governo federal e estadual.
x Comunicação ... USB 2.0
x Tensão de alimentação ... 12 V DC
x Número de eixos... 5
x Motores ... Servos com redução x Amplitude angular do eixo 1 (base) ... ~180°
x Amplitude angular do eixo 2 (ombro) ... ~130°
x Amplitude angular do eixo 3 (cotovelo) ... ~130°
x Amplitude angular do eixo 4 (pulso) ... ~130°
x Amplitude angular do eixo 5 (pulso) ... ~180°
x Peso ... 1,5 kg x Capacidade (com o braço estendido) ... 0,3 Kg x Precisão dos movimentos ... ~0,5 mm x Velocidade angular ... 25°/s x Controle ... Placa integrada x Interface ... qualquer x Aplicativo ... qualquer (inclui um software básico111) x Aplicativos próprios: o Simulador 3D que permite programação de rotinas off-line, ciclos de simulação e manipulação de peças. Acompanha o equipamento. x Aplicativos privativos: o Através de um protocolo de comunicação próprio, usa o LabView e MatLab para controle do braço em tempo real.
B Æ Kit Braço Robótico
Kit adotado pela pesquisa como base para construir o dispositivo robótico descrito no próximo capítulo. Trata-se de um fabricante independente do Ceará que desenvolveu o desenho deste robô para vendê-lo na rede. x Estrutura ... acrílico 4mm x Peso ... ~1.8 Kg x Dimensões ... 20 x 20 x 55cm x Eixos ... 6 x Motores ... servomotores MG995 x Amplitude angular do eixo 1 (base) ... 360º x Amplitude angular do eixo 2 (ombro) ... 90º x Amplitude angular do eixo 3 (cotovelo) ... 90º x Amplitude angular do eixo 4 (pulso) ... 145ºx Amplitude angular do eixo 5 (puls0) ... 180º x Amplitude angular da garra ... 45º x Abertura da garra ... 7,5 cm x Controle ... qualquer placa controladora x Interface ... qualquer x Aplicativo ... qualquer
C Æ KR 6 R900 sixx
Este modelo do fabricante alemão KUKA tem um tamanho compatível com os dos outros braços pesquisados. Trata-se de um equipamento extremamente bem acabado, rápido e potente, mas com custo próprio apenas para uso industrial. Abaixo os dados compilados a partir do manual técnico fornecido pelo fabricante112:
x Capacidade ... 6 kg
x Alcance ... 901 mm
x Velocidade de trabalho ... Alta
x Precisão dos movimentos... < 0,03 mm
x Peso ... 52 kg
x Posição de afixação ... Piso
x Número de eixos ... 6
x Amplitudes angulares do eixo 1...+170°/-170°
x Amplitudes angulares do eixo 2 ...+45°/-186°
x Amplitudes angulares do eixo 3... +156°/+5°
x Amplitudes angulares do eixo 4... –
x Amplitudes angulares do eixo 5... + 120°/–
x Amplitudes angulares do eixo 6...+350°/-350°
x Controle113 ... KR C4 compact
x Interface114 ... KUKA SmartPAD
x Aplicativo ... privativo da Kuka
D Æ AX-18A
Da empresa americana CrustCrawler este é um dos braços com a melhor relação entre custo e benefícios oferecidos. Design maduro, peças modulares e padronizadas, estrutura robusta e rolamentos nas articulações.
x Tensão de alimentação ... 4.9V ~ 6V
x Dimensões ... 56 x 14 x 32 cm
x Capacidade ... 589 g
x Peso ... 907g
112 Pode ser consultado diretamente na página eletrônica do fabricante:
http://www.kuka-robotics.com/res/sps/f776ebab-f613-4818-9feb-527612db8dc4_PB0001_KR_AGILUS_en.pdf
113 O fabricante oferece hardware customizado especialmente para o controle do braço.
x Estrutura ... robusta, em alumínio anodizado
x Precisão dos movimentos ... 2,5 mm
x Eixos ... 5
x Amplitude angulares eixos ... 300
x Ângulo inicial da base ajustável
x Controle ... Placa controladora CM-700 (opcional)
x Interface ... qualquer
x Aplicativo ... qualquer (inclui um software básico)
x Feedback ... posição, tensão, corrente e temperatura
E Æ CEBEKIT C9895
Da empresa espanhola Fadisel, este é um pequeno robô com controle integrado, equipado com uma pequena pinça, que o fabricante recomenda que seja usado para aulas práticas de robótica em escolas técnicas e profissionais.
x Dimensões ... 400 x 129 x 85 mm x Tensão de alimentação ... 1,5V DC (4 pilhas) x Peso ... 1,026 Kg x Capacidade ... 100 g
x Amplitude angular dos eixos ... 270º
x Controle ... integrado: placa própria do fabricante x Interface ... integrada: alavancas que controlam eixos x Aplicativo ... não possui
Comparando todas as soluções encontradas durante olevantamento realizado é possível inferir que o braço E, por seu tamanho reduzido e baixa capacidade de levantamento, é uma opção inviável. Dos restantes, C é certamente a melhor opção, mas o custo elevado do equipamento certamente seria proibitivo para algumas escolas. Surpreendentemente A também está excluído por ter um custo um pouco menor, mas ainda assim equiparável ao de
C e sem ter todas as suas vantagens evidentes.
As opções restantes são B e D. Esses dois modelos têm custos equiparáveis e, por um lado, D é mais vantajoso nos quesitos facilidade de montagem – por seu design ser maduro e as partes bem padronizadas – e robustez da estrutura. Por outro lado, ser houvesse a necessidade de customizar partes para acomodar uma ferramenta diferente – como foi o caso do robô desenvolvido para este experimento – o dispositivo D sai em desvantagem por causa da rigidez do sistema de montagem que torna difícil conseguir peças customizadas compatíveis. O último critério importante seria a capacidade de levantamento de carga, mas este dado não existe para B.
É possível concluir que, mesmo com algumas desvantagens, por causa do caráter experimental deste trabalho, B foi a solução mais vantajosa para ser testada no momento, já que as customizações compatíveis puderam ser fabricadas no mesmo material no laboratório de modelos e ensaios da universidade.
Desenvolvimento de um Dispositivo Robótico Alternativo
Para desenvolver o dispositivo robótico, foi necessário estudar as tecnologias e conhecimentos correlatos que necessariamente integrariam seu funcionamento. As partes geradoras da ponte de transmissão de dados entre usuário e robô foram o ponto de partida para a determinação do que precisaria ser estudado. Estão listadas e inter-relacionadas na cadeia abaixo:
Num estágio primitivo da pesquisa, por exemplo, outro dispositivo foi controlado por uma interface mecânica composta por potenciômetros diretamente ligados à placa controladora como indica a conexão 1. Num outro estágio, ilustrado por 2, o usuário interagiu diretamente com o computador através do controle de elementos de interface do Grasshopper.
A terceira opção foi capturar a intenção do usuário através de periféricos apropriados para a tarefa. No caso do robô desenvolvido para esta pesquisa, usou-se o Kinect – um equipamento para o videogame XBOX que é uma alternativa acessível para explorar o olhar computacional. Com um emissor e leitor de raios UV, cria um mapa de profundidade na forma de uma matriz de pontos. Ligado diretamente ao Grasshopper através do plugin Firefly115 é possível usar as coordenadas dos pontos capturados para alimentar componentes do Grasshopper. O Makey Makey é outro exemplo desses periféricos. Trata-se de uma placa que permite usar qualquer objeto como botão ao transformar o corpo humano em um grande circuito, ou seja, quando a pessoa aperta um botão ela está, na verdade, servindo como um condutor de corrente.
Na relação entre CPU e placas controladoras o Grasshopper, aliado ao Firefly, também forneceu a solução mais simples, já que existem componentes que introduzem funcionalidades paramétricas de transmissão de comandos aos motores, que são controlados por intermédio Arduino, que traduzem a informação recebida pelo cabo USB do computador em impulsos elétricos que podem ser compreendidos pelos motores.
O dispositivo montado experimentalmente neste trabalho usa como base uma estrutura de acrílico adquirida pela internet de um fabricante independente. Foi adaptado para acomodar um motor de 12.000 rpm116 para fresagem de materiais macios – como espumas de poliuretano e espuma fenólica de tramas abertas.
As três figuras a seguir ilustram o funcionamento básico do dispositivo desenvolvido.
115 Este plugin também foi crucial ao trabalho porque introduz no ambiente paramétrico do Grasshopper componentes que variam
desde o controle de arduinos até a leitura de dados de input de usuário do Kinect e wii nunchuck.
A Figura 3 mostra o produto final, seguido de uma visão interna da base, com arduinos, coolers e fontes fixadas no plano inferior. À esquerda, o motor DC da fresa aparece adaptado à estrutura de afixação.
A Figura 4 mostra a dinâmica do funcionamento eletrônico do dispositivo desenvolvido. O Kinect captura os dados de profundidade do usuário, transmitindo-os por um cabo USB. O sistema operacional com os drivers corretos instalados, tem condições de interpretar os dados recebidos e transmitir para o Grasshopper, com o Firefly instalado. Depois de processados, os dados são retransmitidos para os arduinos, através do protocolo de comunicação estabelecido entre os drivers do sistema operacional e o firmware, pré-instalado nas placas. Em seguida, os arduinos transmitem a informação aos motores, acionando os movimentos coordenados pela definição do Grasshopper.
A Figura 5 enumera os principais elementos do sistema de componentes montado no Grasshopper para controlar o robô:
0. Conjunto de coordenadas – x, y e z – que formam um ponto de referência que é a base do posicionamento do robô. Esse ponto é capturado pelo Kinect e é o ponto mais próximo da câmera UV, na metade esquerda do mapa de profundidade.
1. Componente customizado que usa cinemática inversa para estimar onde a ponta da estrutura do dispositivo deve estar no espaço, de forma a acompanhar o conjunto de coordenadas de referência. Baseado na simulação, coordena os motores da estrutura de forma a posicioná-la no lugar desejado.
2. Componente customizado que controla as duas articulações do motor da fresa, que tem movimentos independentes do braço.
3. Coordenadas x e y que alimentam o componente acima. O Kinect também pode fornecer essas coordenadas a partir de gestos do usuário.
4. Botão para abertura das portas seriais do computador, para que a comunicação com os arduinos possa ter início.
5. Conversores de escala de sinal. O sinal numérico que sai dos componentes 1 e 3 são padrão para todos os servos, ou seja, de 0 a 180. Mas na realidade, cada motor trabalha com uma faixa numérica ligeiramente diferente. Esses conversores fazem a conversão entre a escala padrão e a específica do motor.
6. Este é o componente Uno Write, do plugin Firefly. Com ele é possível enviar instruções na forma de pulsos elétricos para uma placa Arduino Uno que, neste caso, controla os servos das articulações da estrutura do braço.
7. Interface de controle de portas seriais. Quando mais de um Arduino está conectado (como neste caso), é necessário atribuir os números de porta certos às respectivas placas.
8. É um sistema que tem como peça central o componente de comunicação serial Write. Como existe um Shield acoplado ao Arduino controlado neste item, não se usa o componente Uno Write, porque é necessário que o sinal transmitido seja genérico para que seja interpretado diretamente por um firmware customizado para saber interpretar o sinal.
A movimentação do robô é dividida em duas partes independentes: estrutura e ferramenta. A estrutura é controlada pelo componente descrito no item 1 e inclui os quatro primeiros motores a partir da base; e a ferramenta inclui os dois últimos e é operada pelo componente 2.
Figura 3: robô desenvolvido na pesquisa. Fonte: Elaborada pelos autores.
Figura 4: diagrama esquemático do funcionamento do robô desenvolvido. Fonte: Elaborada pelos autores.
F igur a 5 : Def iniç ã o c ri ada pelo aut o r pa ra c o nt rol a r o r o bô c om um K inec t. F o n te : El a b o ra d a p e lo s a u to re s.
Conclusões
A solução ideal encontrada foi de desenhar um experimento que permitisse avaliar as implicações da nova representação, indissociável da programação, para a arquitetura e o design.
Optou-se por testar e comparar exemplares, a fim de estabelecer um panorama da atual oferta de robôs no mercado. Foram testados os menos custosos na forma de kits e, paralelamente, foram feitos os primeiros testes com o uso desses dispositivos na arquitetura, arte e design.
Outro ponto importante avaliado foi comparar os métodos tradicionais de representação de projeto com os atuais. Os aplicativos de modelagem paramétrica, se comparados com o advento de outras tecnologias de representação – CAD e CADD – acrescentam uma dimensão estrangeira à arquitetura e ao design: o arquiteto deixa de lidar diretamente com o projeto e torna-se uma espécie de programador, de controlador do fluxo de informação. O computador deixa de ser uma simples ferramenta e passa a estar presente na criação.
Atualmente esse novo papel requer um conhecimento profundo as lógicas envolvidas na arquitetura e no design. Para as instituições de ensino voltadas para a prancheta eletrônica e novos métodos de FD tanto a representação como o curriculum devem sofrer uma grande atualização.
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