Desenvolvimento de um robô terrestre Hexapod
Alessandro N. Schildt1, Eridenes F. de Queiroz1, Fernanda B. dos Santos1, Michel S. de Deus1, Renata B. Silva1,
1Departamento de Engenharia de Computação e Automação Industrial Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)
59.072-970 - Natal /RN - Brasil
Resumo. Será apresentado a descrição do desenvolvimento de um robô Hexápode com fins didáticos implementado no laboratório de robótica da UFRN. Serão definidas a mecânica do robô, o hardware desenvolvido durante a execução do projeto, a modelagem das juntas de uma pata, a modelagem da marcha tripod e wave e, por fim, serão mostrados alguns resultados utilizando a estrutura desenvolvida.
1 - INTRODUÇÃO
Robôs móveis possuem a capacidade de se moverem ao redor seus ambientes e não estão fixados a uma localização física. Essa categoria de robô pode ser subdividida em três ramos; terrestre, aéreo e subaquático. Os robôs moveis são o foco de muitas pesquisas atuais, sendo que a maior parte das grandes universidades possui um ou mais laboratórios voltados à pesquisa e desenvolvimento desta área da robótica.
Várias aplicações necessitam de um robô que possa ser concebido para caminhar em superfícies irregulares como escadas, minas terrestres e plataformas de petróleo. Segundo Carbone [1], a principal diferença entre um robô que utiliza pernas e aqueles que utilizam rodas é o contato com o solo que não é contínua, sendo assim, utiliza pontos de apoio isolados por coordenação de reposição das suas pernas.
Nesse contexto, os robôs hexápodes são populares, e possuem comportamento de locomoção semelhante a aranhas. Essa classe de robôs pode ser agrupada em duas grandes categorias: os de formato retangular, no qual há distribuição simétrica das patas em ambos os lados e os que possuem formato hexagonal, que são redondos e tem distribuição uniforme das patas pelo corpo. Na figura 1 há exemplos de robôs hexápodes.
Figura 1. Hexápode retangular[2] e Hexápode hexagonal[3], respectivamente.
Outros fatores que podem ser abordados são as vantagens e desvantagens [4] proporcionadas pela locomoção utilizando pernas. Como vantagens temos:
Possibilidade de locomoção em terrenos irregulares.
Utilização de pontos de apoio isolados.
Suspensão permanentemente ativa.
Relacionando as desvantagens obtidas com esse tipo de abordagem de locomoção temos:
Pernas são pesadas devido ao grande número de atuadores.
Há força de impacto a cada passada.
Carga transportada por robôs com esse tipo de locomoção é baixo.
Controle de caminhada extremamente complexo, robôs são lentos devido ao tipo de locomoção.
Por fim, o movimento de robôs com pernas pode ser dividido em dinamicamente estáveis e estaticamente estáveis [5]. O robô é dinamicamente estável quando apresenta um sistema de locomoção estaticamente estável durante todo percurso. Para ser estaticamente estável, o robô precisa apenas se permanecer equilibrado de forma simétrica entre as patas, não apresentando perigo de instabilidade mesmo estando parado. No caso do hexápode ele só é considerado estável estaticamente se possuir, no mínimo, três pernas no solo de maneira que o centro de massa fique dentro do polígono formado por estas patas, como é visto na figura 2.
Figura 2. Casos de estabilidade para o hexápode: estaticamente estável, estaticamente instável e criticamente estável, respectivamente.
Para que a pesquisa em robótica possa ser desenvolvida, é necessário de alguns meios ligados a estrutura física do robô, além de elementos eletrônicos que nos auxiliam na obtenção de dados de sensores e que propiciem a movimentação desse robô. A partir disso, se pensou na necessidade de criar um robô móvel terrestre do tipo Hexápode que garantisse estudo em robôs móveis com pernas de maneira mais fácil a alunos ingressantes na pesquisa em robótica.
Além disso, existem vários robôs terrestres que utilizam rodas para locomoção, porém existia a necessidade de aprender a manipular robôs terrestres com pernas para que mais uma categoria de robôs fosse manuseada durante o processo de formação acadêmica.
Outro fator a ser considerado são as aplicações futuras que um robô desse tipo pode ter na indústria, como por exemplo:
Localização e mapeamento simultâneos (SLAM, sigla em inglês) em tempo real em determinada região;
Monitoramento de cascos de navios;
Supervisão de regiões insalubres a vida humana, ou de longa duração que demandam grande esforço físico, como aqueles presentes na indústria do petróleo;
Monitoramento de instalações industriais.
Sendo assim, na segunda seção será descrito como foi dada a concepção do protótipo, expondo o desenvolvimento da estrutura física. Na terceira seção será abordado o desenvolvimento dos circuitos impressos que possibilitaram a movimentação do robô. Existirá na quarta seção a apresentação da modelagem das juntas de uma das patas do robô e a descrição dos dois gaits (padrões de movimento dos membros de animais) desenvolvidos para que o robô pudesse se movimentar. Ao final serão apresentadas conclusões e trabalhos futuros.
2 - DESCRIÇÃO DO TRABALHO
Após pesquisar as duas variantes de modelos encontrados de hexápode, foi decidido utilizar o formato retangular, pelo fato de se assemelhar com mais perfeição aos animais de mesmo formato encontrados na natureza.
Sendo assim, foi desenvolvido no laboratório de robótica da UFRN, uma estrutura formada por seis peças de acrílico com o formato similar a uma pata de aranha. Para o corpo foram usadas duas placas de duralumínio, pelo fato deste material ser mais leve que outros materiais, como ferro, por exemplo, e possuir grande resistência.
Para que fosse possível atingir um bom nível de precisão no corte do formato desejado para todas as peças, foi utilizado o programa Sketchup[6] para modelar as peças e utilizar como molde no corte das mesmas. Na figura 3 há a apresentação dos esquemáticos desenvolvidos no programa e usados como molde na confecção das peças.
Figura 3. Modelagem das peças utilizadas no protótipo: corpo (esquerda), pata (direita).
Como se trata de um robô hexápode, foram usadas seis patas com três graus de liberdade em cada pata. O resultado final de todo processo de montagem é apresentado na figura 4. Nela pode ser visto a presença dos dezoito servo motores, os quais 6 estão diretamente presos na estrutura central e possibilitam a movimentação da coxa do dispositivo. Existem outros seis servo motores que possibilitam a movimentação do fêmur e, por último, existem seis servo motores que permitem a movimentação da tíbia do protótipo. Na foto ainda pode ser visto uma das placas de circuito impresso que foram desenvolvidas.
Figura 4. Protótipo desenvolvido.
A alimentação do robô é dada através de uma bateria de Ni-MH de 7.2V e 3800mAh, que possibilita uma autonomia próxima a 10 minutos de uso intenso. Porém para testes foi utilizada uma fonte externa que pode fornecer corrente suficiente para que qualquer tipo de teste possa ser realizado.
A partir da estrutura descrita até o momento foi possível idealizar os circuitos que são necessários para que o robô se comunicasse com a estação base e gerasse o movimento do hexápode.
Além da função de gerar os sinais de referência dos gaits implementados, o circuito mestre se comunica com uma estação base através de um adaptador bluetooth. Por sua vez, o adaptador bluetooth simula uma transmissão serial RS232 quando conectado a outro módulo, o que facilita a transmissão de dados. Para que o robô se conecte a estação base é usada uma tela de supervisão, na qual pode ser configurada a conexão do protocolo RS232 e gerar comandos de alto nível ao robô, como aqueles de gerar movimentos para frente e para trás. Na figura 5 pode ser vista a tela de supervisão implementada com as funções supracitadas.
Ainda existe um módulo que se comunica com o circuito mestre o qual é usado somente para a iluminação do robô, com o intuito de ser possível observar sua movimentação em ambientes com baixa iluminação.
Figura 5. Tela de supervisão do robô Hexapod.
3 – RESULTADOS
Pode-se analisar através da figura 6 como está estruturada a comunicação entre o usuário e o robô. Quando o usuário se conectar ao robô pelo transmissor bluetooth e enviar um comando de ir para frente, por exemplo, o microcontrolador do circuito mestre irá decodificar a informação e irá gerar os sinais de referência para os circuitos escravos. Estes, por sua vez, gerarão os sinais de PWM que farão com que o robô se movimente na direção desejada até que o circuito mestre receba outro comando, como o de parar, por exemplo.
Figura 6. Fluxograma para a transmissão de dados entre a estação base e o robô.
Portanto, temos a versão final do projeto já com o módulo Bluetooth, estação base, servos e estrutura toda montada e configurada. A figura 7 mostra o robô em um dos seus testes de duração de bateria.
Figura 7. Fluxograma para a transmissão de dados entre a estação base e o robô.
4 - CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
O desenvolvimento da estrutura física se mostrou fácil pois foram necessários poucos cortes no alumínio devido ao uso do molde para realizar esta atividade. Porém o desenvolvimento do circuito impresso foi relativamente lento e complexo, devido a problemas enfrentados com o protocolo I²C no microcontrolador utilizado, pois o compilador usado no firmware deste não possuía suporte nativo as funções de escravo. Outro problema foi ocasionado pelos sinais PWM, que não estavam sendo gerados de maneira satisfatória, o qual foi descoberto que haviam outros módulos ativos naquelas portas usadas para a geração dos sinais PWM.
A estruturação da transmissão de dados utilizando uma estação base para fazer a interface homem-máquina é bem promissora, pois consegue aproximar o usuário leigo em robótica ao entendimento do funcionamento de sensores e atuadores.
5 – REFERENCES
[1] G. Carbone, M. Ceccarelli, “Legged robotic Systems”, “Cutting Edge Robotics”, ARS Scientific Book, pp. 553-576, Wien.
[2] http://www.engadget.com/2008/11/01/msr-h101-hexapod-kit-lets-you-build-your-own-nightmares/
[3] http://www.gadgetgiftideas.net/technology/hexapod-robot-diy-kit
[4] M. Nitulescu, “Robotic systems with navigation capabilities”, Universitaria Craiova, ISBN: 973- 8043-143-3, Romania 2002.
[5] M. Sorin, N. Mircea, " Hexapod Robot. Mathematical Support for Modeling and Control", IEEE, Stoian Viorel.
[6] http://www.sketchup.com/intl/pt-BR/index.html
