DESENVOLVIMENTO DE ROBÔ MÓVEL HOLONÔMICO PARA

DESENVOLVIMENTO DE ROBÔ MÓVEL HOLONÔMICO
PARA TRANSPORTE E EMPILHAMENTO DE CARGAS EM PLATAFORMA LEGO NXT
ERICK PFEIFER
Laboratório da Automação e Controle, Departamento de Engenharia de Telecomunicações e Controle,
Universidade de São Paulo
Av. Prof. Luciano Gualberto, trav. 3, n. 158, São Paulo – SP, 05508-900
E-mail: [email protected]
ALONSO DE A. SIMÕES1
DANILLO S. FARIAS2
LEANDRO RIEDNER3
Núcleo de Robótica, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Católica Dom Bosco
Av. Tamandaré, 600, Jd. Seminário, Campo Grande, MS, 79117-900
E-mails: [email protected], [email protected],
3
[email protected]
Abstract
 This text describes the implementation of an autonomous robot capable of tracking, manipulating and storing payloads of a simulated seaport working environment. In order to achieve this capability, is utilized expansive reconfigurable robotics kits with some actuators and sensors from expansion kits. The tracking of objects is made by color sensors, while the robot’s
positioning is achieved by using internal encoders provided with the traction motors, the payload manipulation realized with a
mechanic clamping system.
Keywords
 Autonomous robotics, seaport environment, reconfigurable robotics.
Resumo
 Este texto descreve a implementação de um robô autônomo capaz de rastrear, manipular e armazenar cargas simulando trabalho de apoio portuário. Para tanto, é utilizado robótica reconfigurável em conjunto com kits expansivos de atuadores
e sensores. O rastreamento dos objetos é feito por meio de sensoriamento de cores, enquanto o posicionamento é feito por meio
de encoders acoplados aos motores de tração e a manipulação das cargas e realizada por meio de um sistema de pinça mecânica.
Palavras-chave
 Robótica autônoma, ambiente portuário, robótica reconfigurável.
1
Introdução
Em décadas passadas, robôs eram apresentados somente por ficção científica ou pela imaginação humana. No início dos anos 60 os primeiros robôs foram construídos com o intuito de substituir tarefas de
risco à vida humana, ou em casos de extremo esforço
físico ou trabalhos repetitivos (Pasos, 2002).
Nos dias de hoje, os robôs estão ganhando seu
espaço e se tornaram uma realidade muito próxima
das pessoas. Robôs móveis autônomos podem ser
usados em diferenciadas aplicações, como: mapeamento de resíduos tóxicos e pontos de risco (Hayes,
2002), aplicações aeroespaciais para exploração em
ambientes hostis (Ambrose,1995), inspeção remota
em ambientes industriais para detecção de altas temperaturas e radiação (Monkman, 1993), detecção de
bombas em zonas de conflito e limpeza de reatores
nucleares (Wagner, 1999).
O desenvolvimento de um robô móvel autônomo não é uma simples tarefa porque envolve muito
conhecimento em engenharia, principalmente nas
áreas de mecânica, eletrônica, instrumentação, controle e automação (Rosário, 2005). A geração do
trajeto e o desenvolvimento do controle estratégico
para o robô executar uma seqüencia de operações
especifica é muito complexa (Pedrosa, 2002).
Este texto apresenta os aspectos da construção
de um robô autônomo omnidirecional a partir de kits
de robótica e periféricos de auxílio visando participação na categoria Livre da VII Competição IEEE Brasileira de Robôs e do VIII LARC (Latin American
Robiotics Contest). Este robô é desenvolvido no âmbito da Universidade Católica Dom Bosco - UCDB
como Projeto de Pesquisa intitulado “Robótica competitiva: desenvolvimento de tecnologias para competições de robôs móveis” e apoiado pelo
CNPq/UCDB.
Também serão abordados aspectos relacionados
à programação, estratégia e composição mecânica do
robô.
2 O desafio portuário
O desafio proposto propõe a construção de um robô
para detecção, transporte e empilhamento de cargas,
abordando o problema de manejo de containeres no
porto da cidade de Valparaiso localizada no Chile.
Figura 1. Representação do problema portuário
(Ilustração Virtual).
Na Figura 1 ilustra-se a arena na qual será realizada a tarefa proposta.
O robô deve iniciar em uma área especificada,
devendo deslocar-se até a área dos containeres limitada por linhas verdes onde recolherá um container e
o levará para eu devido local de armazenamento.
Os containeres verdes devem ser depositados na
área verde, e os azuis na área azul. Já os containeres
vermelhos devem ser depositados em áreas especificas o que requer do robô precisão no depósito das
cargas.
Para completar a tarefa proposta com rapidez e
eficiência são utilizadas estratégias que buscam simplificar e reduzir movimentos e operações sem perder
precisão e coerência.
3 Configurações Mecânicas e Eletrônicas
Construir robôs utilizando kits de robótica com estruturação mecânica reconfigurável é vantajoso, qualquer readaptação de projeto pode ser realizada em
pouco tempo melhorando o aproveitamento do robô
em caso de possíveis imprevistos.
Tecnologias aplicadas à robótica didática propiciaram a utilização de kits de LEGO NXT (Lego) em
tarefas que requerem maior aptidão do sistema de
sensoriamento e dos atuadores do protótipo.
3.1 Sistema de locomoção holonômico
A arquitetura na forma de barras utilizando peças do
kit de robótica NXT facilitou a construção de um
robô simétrico e leve, Figura 2.
Os motores utilizados possuem precisão e bom
torque para os requisitos do sistema. A respeito de
sua utilização pode-se destacar o sistema de locomoção holonômico obtido por rotação dos eixos de tração.
Dois servomotores sincronizados alteram a orientação do eixo de tração possibilitando ao robô deslocar-se em qualquer direção sem modificar sua orientação. Uma roda de apoio equilibra o sistema.
Os dois motores utilizados para tração são provenientes do kit Lego, possuindo torque de 15 N.cm.
Os servomotores, modelo HS-311 (Hitech), possuem
Figura 2. Robô desenvolvido para o problema portuário.
velocidade angular de 0,15/60 s/deg que proporciona
elevada velocidade de reposicionamento, fator importante para a estratégia adotada.
3.2 Sistemas eletrônicos
O padrão de comunicação I2C (Inter-Intergrated Circuit) utilizado pelo módulo NXT para receber atualizações dos sensores, possibilitou o interfaceamento
com o controlador dos servomotores viabilizando a
criação do robô e seus sistemas eletrônicos.
Estes sistemas podem ser divididos basicamente
em sensoriamento, inteligência e atuação.
O sistema eletrônico de sensoriamento, similarmente ao sistema dos atuadores, também se contrasta
entre si conforme os tipos de sensores, sendo eles:
• Sensores de toque: são utilizados para estabelecer limites de movimento;
• Encoders de quadratura: de suma importância
para a navegação do robô, tendo função de odômetria. São utilizados os encoders pré-instalados aos motores de tração dos kits de Lego;
• Sensor de luz: responsável pela identificação
do tipo de container bem como os limites das áreas
de carga e descarga.
Os circuitos eletrônicos de “inteligência” utilizam a plataforma de processamento e inteligência
reprogramável NXT da LEGO (com um processador
Atmel 32-bit) para controlar e monitorar os sensores
e atuadores de forma continua em pipeline.
4 Considerações finais
Para a construção de um protótipo devem-se avaliar
alguns fatores importantes: criar a estrutura mecânica
(usinar peça a peça) é o ideal quando se tem muito
tempo e recursos financeiros para investir no projeto
gerando possibilidades ilimitadas de movimento, no
entanto, a possibilidade de utilizar robótica reconfigurável permite readaptações de projeto com muita
facilidade e alta reposição de peças, o que é ideal
para casos de campeonatos que podem ocorrer em
cidades desprovidas de recursos para substituir eventuais peças danificadas.
É importante ressaltar o quanto as competições e
desafios de robótica incentivam a pesquisa e desenvolvimento, fomentando as pesquisas de forma muito
positiva e contribuindo com a formação de engenheiros, graças aos aprimoramentos dos conceitos multidisciplinares, incluindo mecânica geral, ciência dos
materiais, eletrônica analógica e digital, microcontroladores, controle e servomecanismos, lógica e programação adquiridos com os projetos, bem como o
uso de várias ferramentas como AutoCAD,
3DStudio, SolidWorks e simuladores eletrônicos
(Multisim, PSPice).
Referências Bibliográficas
Pasos, F. (2002). Automação de Sistemas &
Robótica. Axcel Books do Brasil Editora Ltda.
Hayes, A. T., Martinoli, A., Goodman, R. M. (2002).
Distributed Odor Source Localization. IEEE
Sensor Journal, Vol. II, No. 3.
Ambrose, R., Askew, R. S. (1995). An Experimental
Investigation of Actuators for Space Robots.
IEEE Internarional Conference on Robotics and
Automation, pp. 2625 – 2630.
Monkman G. L., Taylor R. D. (1993). Thermal
Tactile Sensing. IEEE Transactions on Robotics
and Automation, Vol. IX, No. 3.
Wagner, L. A. Lindenbaum, M., Bruckstein, A. M.
(1999). Distributed Covering by Ant-Robots
Using Evaporating Traces. IEEE Transactions
on Robotics and Automation, Vol XV, No. 5.
Lego. Manual 8527 Mindstorms NXT Kit.
Homepage: http://mindstorms.lego.com
Rosário, J. M. (2005). Princípios da Mecatrônica.
São Paulo: Prenice-Hall.
Pedrosa, D. P. F., Medeiros, A. A D., Alsina, P. J.
(2002). Geração de Caminhos Ponto-a-Ponto
para Robôs Móveis com Rodas. Anais do XIV
Congresso Brasileiro de Automática.