ROBÔS NO DIA-A-DIA Robôs no Espaço

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Curso: Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Unidade Curricular: Projeto FEUP ROBÔS NO DIA-A-DIA Robôs no Espaço Supervisor: Professora Teresa Margarida Guerra Pereira Duarte Monitor: Fernando Silva Equipa: 1M07_02 Autores: Carlos Marcelo Silva Torres Daniel Santos Fidalgo David Augusto Ferreira do Couto Fonseca da Silva Luís Gonçalo Oliveira Fonseca Rita Gonçalves Reis Dantas Data de entrega: Porto, 3 de Novembro de 2014

2 Um robô não é só uma máquina. Um robô é uma máquina feita para imitar o melhor do homem. Isaac Asimov Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 1

3 Resumo Com o intuito de transmitir toda a informação necessária à compreensão do campo da robótica espacial, o tema do trabalho foi dividido em vários subtemas, para que se perceba o alcance desta área da robótica e, assim, apresentar a informação de uma forma clara e eficaz. Começa-se por dar um principal destaque à centralidade que a robótica espacial tem na atualidade e qual o seu principal objetivo: substituir o Homem no desempenho de funções ligadas ao espaço difíceis ou mesmo impossíveis de serem realizadas. Depois de se fazer uma apresentação geral do tema, prossegue-se à apresentação da evolução histórica da robótica espacial, desde o século XIX, passando pelo contributo para a robótica proveniente da rivalidade existente no passado entre os Estados Unidos da América e a Antiga União Soviética, e terminando na influência da robótica espacial na atualidade. Faz-se também referência a alguns dos robôs com mais destaque nesta área, como Robonout 2, evidenciando-se os seus principais contributos para a robótica espacial, uma descrição pormenorizada sobre as suas componentes e mecanismos, do seu sistema de controlo e do teste no espaço ao qual o robô foi submetido. Também se faz uma breve referência ao Mars Curiosity Rover e ao Mars Global Surveyor, robôs desenvolvidos pela NASA, com o intuito de estudar Marte e descobrir se realmente existiu vida neste planeta. Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 2

4 Palavras-Chave Robótica Espaço Evolução ROV RMS Modo Automático Modo Remoto Satélites Rovers Landers Robonaut2 Mars Global Surveyor Mars Curiosity Rover Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 3

5 Agradecimentos Este relatório não resulta apenas de um esforço de equipa, mas também do auxílio de todos aqueles que nos acompanharam na elaboração deste relatório. Em primeiro lugar, queríamos agradecer à supervisora, a Professora Teresa Duarte, por ter estado sempre tão disponível e nos ter guiado ao longo da elaboração deste relatório. Não nos podemos também esquecer dos importantes conselhos do nosso monitor, Fernando Silva, que tanto nos ajudaram nos momentos mais difíceis a encontrar o melhor caminho para superar os obstáculos e chegar aos nossos objetivos. Não menos importantes foram as informações disponibilizadas pelos Professores Armando Sousa e António Mendes Lopes, nas visitas aos departamentos de Engenharia Electrónica e Engenharia Mecânica. Por fim, queríamos deixar uma palavra de agradecimento a todas as entidades que participaram nas palestras da Semana do Projeto FEUP, que nos ajudaram a entrar neste novo mundo que é o Ensino Superior. Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 4

6 Índice: Resumo 2 Palavras-chave 3 Agradecimentos 4 1-Introdução 8 2-A Robótica Espacial 9 3-O Passado da Robótica Espacial 10 4-Robótica Espacial na Atualidade 12 5-Tipos, Características e Funções de Robôs Espaciais 15 6-Exemplos de Robôs Espaciais Robonaut Definição Descobertas Tecnológicas Especificações Pernas Sistema de controlo Modo Automático Modo Remoto Testes no espaço Mars Global Surveyor Definição Características e Funções Missão Mars Curiosity Rover Definição.. 24 Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 5

7 6.3.2Aterragem e Primeiras Missões Especificações Instrumentalização Conclusão 30 Referencias Bibliográficas.. 31 Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 6

8 Índice de imagens: Figura 1- Humanoide 7 Figura 2- Projeto de uma base espacial robótica na Lua 8 Figura 3- Sputnik 1 9 Figura 4 - Gráfico da construção de tecnologia espacial e lançamento de satélites 10 Figura 5 Simulação da entrada na atmosfera de marte.11 Figura 6 Transístor em nanotubos de carbono 12 Figura 7 -Gráfico de comparação entre os nanotubos de carbono e outras ligas metálicas. 12 Figura 8- Lemur IIb 14 Figura 9- Robonaut2 15 Figura 10 - Robonaut2 apertando a mão a um astronauta 16 Figura 11- constituição do Mars Global Surveyor 19 Figura 12- Aterragem do Curiosity em Marte 21 Figura 13 - Sojouner,Spirit e Curiosit 22 Figura 14 - Instrumentos Curiosity 23 Figura 15- Curiosity a usar o laser 24 Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 7

9 1-Introdução Hoje em dia, quando se pensa em robôs muitas ideias diferentes podem vir à cabeça: desde aqueles humanoides que aparecem sempre nas capas das revistas científicas aos robôs espaciais até aos pequenos aspiradores que toda a gente conhece. Por isso, é um conceito relativamente muito extenso e difícil de definir. No entanto, de acordo com o dicionário, um robô pode ser definido como: um mecanismo automático, por vezes com a configuração de um ser humano, capaz de fazer movimentos e executar certos trabalhos em substituição do homem Figura 1- Humanoide (15) (infopedia.pt, 2014) Pode-se, deste modo, concluir que um robô é uma máquina capaz de executar ações automáticas previamente definidas pelo homem ou que são instituídas no momento pelo homem através de um controlo remoto. Contudo, atualmente também já se pode falar em robôs capazes de executar tarefas e ações espontâneas, ou seja, inteligência artificial. (1) O principal objetivo dos robôs é substituir o homem num conjunto de ações que poderão ser perigosas, que o homem é incapaz de realizar ou que não efetua de um modo tão eficaz. Assim, existe um número variado de robôs especializados em diferentes áreas como por exemplo: robôs industriais (que são os mais comuns), robôs domésticos, robôs militares, robôs humanoides, robôs escolares e robôs espaciais (que são aqueles que iremos abordar ao longo deste trabalho). (2) Este trabalho foi desenvolvido no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, com o objetivo de incutir nos alunos o espírito de equipa, aspeto fundamental na realização profissional de cada indivíduo, nomeadamente em engenharia, expor as regras fundamentais para a correta realização de um relatório, de um poster, de uma apresentação em power point e de uma exposição oral e, finalmente, integrar os novos alunos universitários neste novo meio académico. Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 8

10 2-A Robótica Espacial A robótica é um tema cada vez mais atual. É a robótica que nos permitiu a produção em massa e que tanto facilitou a produção e consequentemente o nosso dia-adia. Deste modo, a noção de que os robôs são para substituir a mão-de-obra humana é totalmente errada, eles apenas nos facilitam os processos e diminuem os riscos. O ambiente espacial é visto como um dos mais duros desafios para a robótica dos dias de hoje sendo a exploração deste ambiente um campo onde o desenvolvimento da tecnologia é extremamente necessário. Neste momento, o espaço é ainda inóspito aos seres humanos sendo visto como fonte inesgotável de novas informações, e novos problemas. Esta procura incessante por conhecimento leva à elaboração de variadas missões, como de observação, investigação e comunicação (que nos deu os satélites que muita utilidade têm nos nossos dias) e consequentemente possui alguns riscos, pelo que é propício o desenvolvimento da robótica a nível da necessidade de criar sistemas robóticos com alto nível de automação, que possam substituir os humanos em cada vez mais atividades, sendo o objetivo a criação de robôs inteligentes, capazes de sobrevier a um ambiente hostil e desconhecido, desempenhando um número inimaginável de tarefas. (3) Figura 2- Projeto de uma base espacial robótica na Lua (16) Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 9

11 3-O Passado da Robótica Espacial A exploração espacial iniciou o seu desenvolvimento essencialmente nos meados do século XIX e com ela tornaram-se evidentes as limitações físicas do homem: era incapaz de suportar grandes variações térmicas, não sobrevivia em ambientes sem oxigénio, necessitava de alimento e água, Por isto houve necessidade de construir máquinas que substituíssem o homem nas diferentes missões espaciais. Deste modo, desenvolveram-se os chamados robôs espaciais capazes de recolher imagens e amostras sobre o comando do sere humano. Estas missões espaciais iniciaram-se nos anos cinquenta e sessenta e foram marcadas pela chamada Guerra Fria entre as duas grandes potências mundiais da altura: Estados Unidos da América (EUA) e União das Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS). Estes dois países disputaram a supremacia na exploração espacial e investiram nesta área com o objetivo de estarem sempre um passo à frente na descoberta do universo. Assim, verificou-se uma grande quantidade e intensidade de missões pioneiras comandadas tanto pelos Estados Unidos como pela União Soviética. O primeiro robô espacial foi o famoso satélite Sputnik1 criado pela União Soviética e lançado a 4 de Outubro de Este satélite artificial foi colocado na orbita terrestre e tinha a simples função de lançar sinais de rádio Figura 3- Sputnik 1 (17) para a Terra. Acabou por cair três meses depois do seu lançamento, no entanto, foi extremamente importante para despoletar a corrida espacial e um conjunto de missões de espaciais que nos forneceram diversas informações sobre o universo. Os EUA responderam imediatamente 4 meses depois ao Sputnik lançando o Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 10

12 Explorer I, também um satélite artificial mas mais avançado. A este seguiram-se vários outros satélites enviados por ambas as partes não só para a órbita terrestre mas também para a de outros planetas como Vénus e Marte que proporcionaram mais tarde ao homem viajar para o espaço, nomeadamente para a Lua. (4) Aos satélites artificiais, seguiram-se diversos robôs como as sondas que são responsáveis por recolher informação dos planetas e satélites em que se encontram. Dentro das sondas há os landers e os rovers que são capazes de aterrar nos astros celestes que estão a estudar. Uma das primeiras sondas lançadas, que era mais precisamente um rover desenvolvido pela URSS, foi o Lunokhod1 que aterrou no solo lunar a 17 de Dezembro de 1970 com o objetivo de estudar as características físicas e químicas da Lua. Este robô foi extremamente importante por ser muito avançado para a época e constituir uma grande evolução tecnológica. Para além disso, foi o primeiro rover usado na Lua que possuía controlo remoto. Dentro das missões efetuadas por landers, pode-se destacar as primeiras sondas em Marte: a Viking1, lançada a 20 de Agosto de 1975, e a Viking2, lançada a 9 de Setembro do mesmo ano, pela NASA. O programa espacial Viking tinha como principal objetivo recolher imagens e estudar o planeta. Foi uma das missões mais bem sucedidas e permitiu-nos ter uma ideia totalmente diferente de Marte. Desde os anos oitenta até à atualidade a utilização de robôs espaciais continuou, embora de forma menos intensa e já com a intervenção de outros países para além da União Soviética (que entretanto se extinguiu) e dos EUA, como a China que é responsável pelo Chang e3 lançado em 2013 para a Lua. (5) Figura 4 Gráfico da construção de tecnologia espacial e lançamento de satélites (fonte: Futron) (18) Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 11

13 4-Robótica Espacial na Atualidade Robôs No Espaço MIEM As corporações associadas à tecnologia da robótica espacial têm apostado fortemente na inovação e no progresso, no sentido de aumentar o conhecimento atual do cosmos e, consequentemente, expandir as fronteiras do conhecimento. O universo ainda nos é apresentado como uma grande incógnita e, como tal, o principal objetivo da robótica espacial na atualidade baseia-se na cimentação de conhecimentos sobre o cosmos adquiridos até então e ainda na sua expansão. Pretende-se então ultrapassar as barreiras que o universo tem vindo a impor ao Homem e que tem dificultado a sua exploração. (6) Se por um lado, nos últimos séculos, a exploração do universo foi potenciada pela rivalidade entre os Estados Unidos da América e a antiga União Soviética, atualmente, já não se trata tanto de uma corrida pela conquista do cosmos, mas sim num conjunto de interesses coletivos, que motivam a vontade de explorar um mundo completamente novo e surpreendente. Várias são as dificuldades e as preocupações que devem ser ultrapassadas pela robótica espacial para que uma ida ao espaço corra de acordo com aquilo que se planeou e, obviamente, seja bem sucedida. Se por um lado o material utilizado na construção dos robôs deva ser suficientemente resistente às adversidades do universo (radiação, material interstelar, ventos solares, entre outros), o material deve ainda garantir a integridade do corpo na entrada ou reentrada na atmosfera terrestre oude Marte (figura 5) - e ainda possibilitar a concretização correta da função para o qual o robô foi concebido. Há ainda a considerar as distâncias astronômicas que um corpo robótico deve percorrer, sendo Figura 5 Simulação da entrada na atmosfera de marte. (19) que normalmente os percursos se realizam dentro do sistema solar. Assim, a robótica espacial tem potenciado as pesquisas tecnológicas, com o objetivo de estudar novos materiais que permitam aumentar a eficiência dos robôs, nomeadamente no transporte de materiais até ao espaço, na inspeção de tecnologias que já se encontram operacionais, bem como a sua manutenção e reparação se necessário, na Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 12

14 substituição de astronautas que estejam em missão, na exploração de novos territórios espaciais, como planetas, através de imagens enviadas pelo corpo robótico para a Terra e análise de amostras extraídas do solo, exploração de outros corpos celestes, entre outros. (8) Então, é neste contexto que a robótica espacial desenvolve o seu trabalho, aplicando todo o conhecimento retido até hoje, bem como experiências feitas no passado, tanto as bem sucedidas como as mal executadas. É, portanto, o estudo de novos materiais e o aperfeiçoamento de outros já existentes que marcam a atualidade desta área. Inicialmente, consoante o objetivo que se pretenda atingir, começa se pela eleição dos materiais que permitam o robô desempenhar corretamente a sua função, o torne resistente e o mais leve possível. Um dos principais materiais mais promissores na construção de robôs espaciais são os nanotubos de carbono. Estes nanotubos são filamentos com estrutura cristalina compostos por átomos de carbono, que devido à sua estrutura, possuem propriedades que, aos serem integrados noutros componentes, tornam o material bastante resistente. Estes nanotubos chegam a ter uma resistência 600 vezes superior à do aço. (7) Figura 6 Transístor em nanotubos de carbono (20) Figura 7 Gráfico de comparação entre os nanotubos de carbono e outras ligas metálicas. (21) De facto, a influência da robótica espacial na atualidade é inquestionável, que conciliada com anos de estudo e pesquisa intensivos, tornam-na num importante meio de acesso ao espaço. A aposta em missões interplanetárias com robôs em vez de missões tripuladas, pelas segundas serem mais dispendiosas e complicadas, e o aumento da autonomia e eficácia dos corpos robóticos, bem como a qualidade dos seus resultados, têm elevado a robótica espacial a um patamar de excelência no que diz Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 13

15 respeito à descoberta do que se esconde por detrás do cosmos. Trata-se pois de um meio revolucionário e incrivelmente poderoso, que alterará permanentemente a humanidade, devido ao potencial da robótica espacial. Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 14

16 5-Tipos, Características e Funções de Robôs Espaciais Na NASA a tecnologia robótica aborda varias áreas. Existem missões robóticas de exploração (o Sojourner é um exemplo de robôs com esta finalidade), investigação que tem como objetivo o desenvolvimento científico e existem também robôs relacionados com o serviço em orbita (estações espaciais). No entanto, existem dois tipos de robôs espaciais principais: o Remotely Operated Vehicle (ROV) e o Remotely Manipulator System (RMS). Um ROV pode ser qualquer nave espacial não tripulada que permanece em voo, um robô que explora o terreno onde se movimenta, ou uma sonda que entra em contacto com um corpo extraterrestre e opera a partir de uma posição estacionária. Todavia, o tipo mais comum de diapositivo robótico é o RMS, que basicamente consiste num robô que é um braço mecânico frequentemente utilizado na indústria. Estes braços mecânicos tentam ao máximo imitar todas as funcionalidades de um braço humano, nomeadamente os seus sete eixos de liberdade (três graus de liberdade no ombro, um grau de liberdade no cotovelo e três graus de liberdade no punho), conseguindo mesmo operar alguns movimentos que não são possíveis no ser humano (movimento circular de 360º no punho, por exemplo). Estes robôs podem ser programados de duas formas: através de programação de computador fazendo a máquina operar uma função específica, ou com a ajuda de um humano que ensina ao braço robótico as coordenadas (a partir do qual a maquina realiza os movimentos) e outras tarefas. Este sistema manipulador remoto na NASA (RMS) desempenha uma grande variedade de tarefas como, por exemplo, servindo de garra, pertencendo a um dispositivo de montagem remota ou mesmo como sistema de posicionamento e dispositivo de ancoragem para os astronautas que trabalham no espaço. (9) Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 15

17 Um robô também muito importante é o Lemur IIb (figura 8) que tem a capacidade de resolver um série de tarefas básicas necessárias ao longo das missões espaciais. Isto acontece porque o LEMUR IIb é um robô com um alto nível de flexibilidade operacional em relação à massa e volume, o que proporciona a este modelo um certo nível de destreza, capacidade de processamento e capacidade sensorial para que possa desempenhar funções como a montagem, inspeção e manutenção de instalações permanentes em robôs espaciais. Além disso, também pode ser facilmente configurado tanto Figura 8- Lemur IIb (22) fisicamente (devido à sua estrutura relativamente simples) como através de algoritmos. A estrutura física do sistema é constituída por seis membros de quatro graus de liberdade axi-simétrica sobre a plataforma de corpo hexagonal. Estes membros possuem ainda a capacidade de incorporar qualquer uma das suas ferramentas necessárias à realização da tarefa a que foi destinado. O outro subsistema principal é um conjunto de câmeras estéreo que viajam ao longo de uma pista de anel, permitindo visão em todas as direções. A plataforma LEMUR IIb não só desempenha a função para o qual foi concebido como também representa o ponto de partida para duas plataformas robóticas mais avançadas que irão contribuir para a exploração espacial pela parte da NASA. (10) Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 16

18 6-Exemplos de Robôs Espaciais 6.1-Robonaut Definição O Robonaut 2 (Figura 9) é a última geração de robôs astronautas ajudantes e o primeiro robô humanoide no espaço. Foi enviado para a estação espacial abordo da nave discovery na missão STS-133 a 24 de fevereiro de 2011.É fruto de um projeto de 15 anos entre a NASA e General Moters que tem como objetivo principal a longo prazo a construção de um robô capaz de exercer as funções de um astronauta, tanto dentro como fora da estação, sozinho ou em equipa com um astronauta. Figura 9- Robonaut2 (23) Este robô tem como principal função proporcionar o estudo do comportamento e utilidade dos humanoides no espaço. No entanto, a partir de upgrades e avanços tecnológicos instalados no Robonaut ao longo do tempo este já consegue desempenhar variadas funções dentro da estação, desde a monotorização de sistemas até pequenas reparações em sítios de difícil acesso para os astronautas. Espera-se que a curto prazo este seja capaz de se aventurar fora da estação e ajudar os astronautas a efetuar reparações e upgrades na estação. Este robô astronauta é atualmente caracterizado por várias capacidades funcionais tais como: reconhecimento visual de objetos, manipulação de uma extensa variedade de objetos, segurar e agarrar objetos sólidos, trabalhar com as duas mãos em Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 17

19 simultâneo ou apenas recorrendo a uma, tendo ainda alguma variedade de velocidades de movimento à disposição, pressionamento de botões, segurar firmemente um equipamento de medida por um longo tempo, escrever um conjunto de frases, utilização de linguagem gestual e apertar a mão a um humano. (Figura 10) O Robonaut 2 Figura 10 - Robonaut2 apertando a mão a um astronauta (24) tem ainda um sistema de segurança que o impossibilita de infringir qualquer tipo de danos a um humano enquanto trabalha com este Descobertas Tecnológicas Este robô foi totalmente desenvolvido com base em novas descobertas tecnológicas entre as quais: elasticidade das juntas de ligação, sobreposição das mãos no mesmo espaço de trabalho, juntas controladoras capazes de alcançar uma velocidade extremamente reduzida como uma velocidade bastante elevada e a sensibilidade nas palmas das mãos e dos dedos. A mão deste robô chega a alcançar a flexibilidade de uma mão humana e ao mesmo tempo é capaz de carregar uma carga significativa, sendo essa carga de 20 kg quando o braço do robô se encontra na posição horizontal Especificações Robonaut 2 é um robô humanoide hábil, subtil e forte que consiste numa cabeça, num tronco, dois membros superiores e duas mãos com cinco dedos cada. É feito Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 18

20 principalmente de alumínio com algumas ligas de materiais metálicos e não metálicos e pesa cerca de 140 Kg. Está equipado com um computador capaz de processar informação de 350 sensores, 4 câmeras de alta resolução e um câmera de infravermelho. Para além disto, possui 49 graus de mobilidade dos quais 14 são nos membros superiores, 30 nas duas mãos com os 5 dedos, 3 no tronco e 2 da cabeça Pernas As pernas do robô foram instaladas posteriormente e já quando este se encontrava funcional na estação espacial internacional. Não são pernas comuns, pois tal como os astronautas não utilizam as pernas de uma forma convencional o Robonaut 2 também não o faz. As pernas são um meio para definir a posição do robô enquanto se movimenta e trabalha na estação Sistema de controlo O Sistema de controlo está dividido em diferentes blocos que são responsáveis pela: monitorização global de todas as operações, conexão remota e imediata comunicação áudio-visual com o robô, controlo direto do robô para tarefas específicas, visualização e simulação da performance do robô. Resumindo o sistema de controlo suporta dois modos básicos: um modo autónomo e um modo remoto Modo Automático O modo automático é o principal modo de controlo deste robô, ou seja, as ações do robô são supervisionadas e designadas por um controlador humano Assim, o robô ao reconhecer objetos irá realizar operações anteriormente programadas automaticamente. Este modo é utilizado em tarefas bem definidas em que é também utilizado o algoritmo PID (Positional-Integral-Derivative). A partir deste algoritmo é possível controlar a velocidade do movimento, a sua rigidez e as distâncias do movimento e por isto a dinâmica de comportamento do braço do Robonaut e similar à de um braço humano. O modo automático providencia o controlo necessário para a realização de tarefas que exijam mais ou menos sensibilidade. Contudo, os controlos gerais são Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 19

21 limitados permitindo assim uma proximidade segura entre o robô e a pessoa que trabalha ao lado dele. Os movimentos deste podem ser parados rápida e automaticamente em situação de emergência garantindo assim uma maior segurança. Este modo permite assim uma maior eficácia e segurança para o trabalho deste robô Modo Remoto No modo remoto, o operador humano tem total controlo sobre o sistema do Robonaut. O método de controlo usado é o do mestre-escravo, ou seja, o robô repete e segue os movimentos do operador. Os meios usados para a implementação deste sistema são um capacete de monotorização- Helmet Mounted Displays HMD uma power glove e um aparelho de feedback tátil que monitoriza a postura e os movimentos do operador. Usando estas tecnologias o operador tem presente a posição do robô e do ambiente que o rodeia. Tem também acesso a um feedback visual dado pelas câmeras de alta definição implementadas na cabeça deste robô. A tecnologia de controlo remoto permite utilizar as capacidades inteligentes do operador para resolver tarefas mais complexas, casos em que o robô não tem uma correta formalização das condições de um determinado problema, situações de emergência e erro. A relação entre o operador e o robot é feita por uma interface chamada Application Programmer s Interface (API). Esta unidade providencia mais de 100 vetores dimensionais sensoriais e motores, agrupados segundo forças e momentos dos membros superiores, das mãos, dos dedos e uma informação sensorial das palmas das mãos Testes no espaço O principal trabalho do Robonaut neste momento assenta da monotorização do sistema de ventilação da estação. Esta tarefa sendo vital para o funcionamento da estação espacial é, no entanto, complicada para que um astronauta a possa fazer sem cometer erros, isto devido ao facto de ser preciso segurar um manómetro específico por um período longo de tempo em que os astronautas não se podem mexer, o que se percebe ser uma tarefa quase impossível devido á inexistência de gravidade e ainda ao facto de a respiração junto do aparelho de medição poder comprometer os dados. É Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 20

22 também necessário substituir os filtros de ar tarefa o que o robô faz automaticamente. Na chegada a estação espacial o Robonaut 2 foi sujeito a uma variedade de testes: movimentar os braços, pulsos e mãos; apertar a mão ao comandante da tripulação da estação e comunicar por gestos; mudar de teclas e pressionar botões; e segurar um instrumento de medida continuamente na mesma posição por um longo período de tempo. (11) Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 21

23 6.2-Mars Global Surveyor Definição O Mars Global Surveyor é uma sonda que foi projetada para circular na orbita polar (que viaja sobre o Pólo Norte ao Pólo Sul e de volta ao Pólo Norte) doze vezes por dia, recolhendo fotos instantâneas a uma altitude de 400 km da superfície marciana. Figura 11- constituição do Mars Global Surveyor (25) 6.2.2Características e Funções Este robô recolhe dados científicos relacionados com padrões climáticos, características geológicas e migração de vapor de água de hemisfério para hemisfério ao longo do ano. Além disso, a sua tecnologia também permitiu obter as primeiras exibições a 3D da topografia de Marte. O Mars Global Surveyor possui um conjunto de instrumentos científicos que incluem uma câmera de alta resolução e um detetor mineral, que ajudaram os engenheiros e cientistas a selecionar locais de pouso seguros, e ricos em vários minerais como a hematita (que é um mineral geralmente formado em água liquida) com a finalidade de compreender a história de água em Marte Missão Devido à longevidade da nave, foi possível desenvolver uma compreensão sem precedentes de como a paisagem marciana e estações foram mudando ao longo do Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 22

24 tempo. Apesar de inicialmente ser esperado que a nave ficasse sem combustível em Abril de 2003, o que desligaria pequenos propulsores que mantêm a precisão do sistema de recolha de dados, em Agosto de 2001 (5 anos depois do lançamento da nave aproximadamente) a equipa do Mars Global Surveyor implementou uma inteligente estratégia de gestão do momento angular, o que minimizou a necessidade desses propulsores para ajudar a estabilizar a nave espacial e mantê-lo no alvo durante a visualização das áreas na superfície de Marte, reduzindo assim o uso de combustível em 800% numa base diária. (12) Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 23

25 6.3-Mars Curiosity Rover 6.3.1Definição A missão da NASA intitulada Mars science laboratory colocou no solo de Marte um grande laboratório móbil - O rover curiosity que aterrou na cratera de Gale a 6 de agosto de A aterragem neste local, considerado um dos mais intrigantes de Marte, só foi possível devido ao uso de uma tecnologia de precisão. Nos primeiros oito meses de uma missão com uma duração prevista de dois anos, o curiosity tinha como objetivo descobrir evidências de um ambiente passado capaz de albergar vida microscópica. Para tal este robô estuda a geologia e o ambiente de áreas específicas da cratera e analisa amostras de furos e escavações de rochas do solo feitas por ele. Este rover está equipado com os mais avançados equipamentos científicos alguma vez utilizados em Marte Aterragem e Primeiras Missões Este robô foi transportado ate ao seu destino numa nave que se orientava sozinha durante a descida pela atmosfera de Marte com manobras descritas em forma de S, similares as usadas pelos pilotos das space shuttles. Nos três Figura 12- Aterragem do Curiosity em Marte (26) minutos finais antes de tocar no solo, a nave desceu lentamente com o auxílio de um paraquedas e de retrorockets montados no anel situado no estrado de cima da nave. Nos segundos finais da aterragem, o estrado de cima atuou como um sky crane, ou seja com recurso a corrente baixou lentamente o rover até que as suas rodas atingissem o solo (Figura 12). Foi este processo preciso de aterragem que permitiu ao rover pisar o solo de Marte pela primeira vez num local de difícil aterragem: o monte Sharp situado na cratera de Gale. No entanto, mesmo antes da chegada a Marte o Curiosity já permitia novas Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 24

26 descobertas aos cientistas: os dados de radiação natural recolhidos durante a viagem da Terra a Marte permitiam um melhor planeamento da segurança dos astronautas numa possível futura missão a Marte. Nas primeiras semanas após a aterragem, Curiosity mostrava imagens de conglomerados de rochas com areia e seixos perto do local de aterragem, o que provava estar numa aérea onde há muito tempo atrás teria existido água à superfície. Nos meses iniciais da missão, a equipa responsável pelo rover conduziu-o até uma zona de interesse chamada Glenelg, onde três tipos de terreno se intersetavam. No caminho até esse ponto, o rover analisou os seus primeiros pedaços de terra, e já em Glenelg estudou as primeiras rochas alguma vez perfuradas em Marte. As análises da primeira perfuração realizada a uma rocha específica chamada Jonh Klein providenciaram evidências de que realmente já teriam existido condições para a existência de vida em Marte. Por exemplo, descobriram-se características geológicas e mineralógicas que provam a existência de água nem muito acida nem muito salgada, o que é uma fonte de energia química e outros ingredientes essências á vida. Em julho de 2013, o Curiosity terminou as investigações na aérea de Glenelg e começou uma longa travessia até às camadas mais baixas do monte Sharp onde se encontra atualmente a realizar perfurações e análises para que se possa perceber como é que a atmosfera de Marte se tornou tão seca Especificações O curiosity é quase duas vezes maior e cinco vezes mais pesado do que os gémeos spirit e opportunity, que foram enviados para Marte em 2003 (Figura 13). No entanto, tem alguns elementos idênticos a estes nomeadamente: um sistema de condução de seis rodas, um sistema de suspensão rocker-bogi e câmeras montadas num mastro para ajudar a equipa de missão a definir alvos para exploração e rotas para os Figura 13 Sojouner (a frente), Spirit (á esquerda) e Curiosity (á direita). (27) Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 25

27 destinos. Ao contrário dos rovers anteriores o Curiosity possui equipamento para recolher e processar amostras de rochas e solo, distribuindo estas por câmeras de teste e instrumentos de análise instalados no rover. O laboratório da NASA de propulsão concebeu o rover para que este pudesse ultrapassar obstáculos até 65 centímetros e percorrer um total de 200 metros por dia marciano. A fonte de energia deste robô foi desenhada pelo departamento de energia dos E.U.A. e é basicamente um gerador de energia de radioisótopos. Este produz energia a partir do decaimento do plutónio 238 o que dá um tempo de operacionalidade de um ano Marciano (687 dias) ou mais. No início da missão este produziu cerca de 110 watts de potência para operar os instrumentos do rover, o braço robótico, as rodas, os computadores e o rádio. No entanto, o total de energia produzida ao longo da missão vai diminuindo, não comprometendo, todavia, o funcionamento deste robô. A comunicação com a Terra é feita através de retransmissores situados nos orbiters (pequenos satélites de reconhecimento) de Marte, que enviam a informação para as antenas do Deep Space Network s. Apenas no primeiro ano foram descarregados 190 gigabytes de informação enviados pelo curiosity Instrumentalização Em 2004, a NASA solicitou propostas de instrumentos específicos para serem instalados no Curiosity (Figura 14). Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 26

28 A agência selecionou oito propostas, ainda nesse ano, e chegou a um acordo com a Rússia e a Espanha para utilizar instrumentos providenciados por essas nações, nomeadamente: - o Sample Analysis at Mars cujo principal objetivo é analisar amostra de materiais recolhidos pelo braço robótico do rover. Este instrumento é ainda capaz de analisar amostras atmosféricas e esta equipada com um crometógrafo de gás, um espectrómetro de massa e um espectrómetro de laser ajustável com capacidades de identificar uma extensa variedade de compostos com presença de carbono e de determinar diferentes isótopos de elementos chave. Estes isótopos são pistas para perceber a história da atmosfera de Marte. -Um raio-x de difração e florescente chamado CheMin que também examina amostras recolhidas pelo braço robótico. Está desenhado para identificar e quantificar os minerais Figura 14: Instrumentos Curiosity. (28) presentes em rochas e no solo e para medir a composição granulométrica. -o Mars Hand Lens Imager, que se encontra montado no braço robótico e tira fotografias extremamente próximas de rochas do solo e, se presente do gelo. Estas fotografias são capazes de revelar detalhes mais pequenos do que um cabelo humano e de focar objetos que o braço não consegue alcançar. Este aparelho é ainda famoso pelos autorretratos tirados ao curiosity. - o Alpha particle X-ray Spectormeter,que está também instalado no braço, e determina a abundância relativa de diferentes elementos nas rochas e no solo. - a Mast Camera, que está montada à altura de um olho humano, é o principal guia para o movimento do rover. Esta consegue captar e guardar imagens de alta resolução, para além de algumas sequências de vídeo. Pode ser também utilizada para ver os materiais recolhidos e tratados pelo braço robótico. Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 27

29 -o ChemCam, que usa pulsos Figura 15- Curiosity a usar o laser (29) laser para vaporizar camadas finas rochas e solo de Marte a uma distância máxima de 7 metros. Este instrumento inclui um espectrómetro para identificar os vários tipos de átomos libertados na vaporização, assim como possui uma espécie de telescópio que funciona como uma câmera que captura imagens detalhadas da zona iluminada pelo feixe do laser. O laser e o telescópio estão ambos instalados no mastro do robô e juntamente com a Mast Camera tem a função de informar os investigadores quais os melhores objetos para submeter a análise com recurso a outros instrumentos. - o Radiation Assessement Detetor é responsável por caracterizar a radiação existente na superfície de Marte. Esta informação irá contribuir para o planeamento de uma possível missão que leve o Homem a Marte. Para além disso, dá informação sobre a capacidade para suportar vida deste planeta. - o Mars Descent Imager que nos dois minutos anteriores à aterragem em Marte, capturou imagens com cor e vídeo em alta definição da região da aterragem para que os investigadores tivessem uma visão geral do contexto geológico da região.este aparelho também forneceu informações preciosas para uma aterragem mais precisa. Atualmente é também utilizado para capturar imagens da superfície de Marte á medida que o rover a explora. - o Rover Environmental Monitoring Station, de nacionalidade espanhola, mede a pressão atmosférica, a temperatura, a humidade, os ventos e ainda os níveis de radiação ultra-violeta. - o Dynamic Albedo of Neutrons, desta vez russo, mede os níveis de hidrogénio até a um metro abaixo da superfície marciana. Este instrumento é muito importante pois a presença de hidrogénio pode indicar também a presença de água. Para além de todos instrumentos científicos é ainda de salientar alguns instrumentos da infraestrutura deste robô. Tal como nos seus antecessores, o Curiosity possui uma câmera de navegação no seu mastro e uma camera rebaixada de detecção de perigo. A camera de navegação é também utilizada para identificar objetos alvos da ação de outros instrumentos e ainda para observar o céu em busca de nuvens e poeira. Também é importante não desprezar o equipamento de recolha e preparação de amostras que inclui ferramentas para: a remoção de poeira, a escavação do solo, a Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 28

30 perfuração de rochas e recolha dessas amostras, a separação de amostras e a entrega dessas mesmas amostras aos instrumentos, onde serão analisadas. Todos estes equipamentos e estruturas, juntamente com as descobertas que já realizou, permitem afirmar que o Curiosity é o rover mais bem concebido de toda a história da exploração espacial. (13) Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 29

31 7-Conclusão A robótica, devido a intensos anos de estudo, conciliados a um desenvolvimento científico e tecnológico, alterou definitivamente o estilo de vida da humanidade. Se por um lado permitiu o aumento da qualidade de vida da sociedade, a robótica permitiu ainda o desempenho de funções nas mais diversas áreas, que dificilmente seriam executadas pelos humanos ou, pelo menos, com a mesma eficiência. Embora já muito se tenha alterado no quotidiano de cada habitante do planeta, a robótica continuará a apostar no seu desenvolvimento, o que culminará numa alteração constante no quotidiano da sociedade. Em particular, pode-se considerar a robótica espacial como um campo tecnológico de grande relevância na descoberta do universo. Contando já com várias décadas de desenvolvimento, a robótica espacial aposta essencialmente na descoberta de novos materiais, com o objetivo de produzir novos corpos robóticos, para que possam viajar até ao espaço e aí desempenhar a função para o qual foram concebidos. Os contributos da robótica espacial são inquestionáveis, desde o conhecimento adquirido acerca do universo, até simples questões do dia-a-dia, como sondas que permitem realizar as previsões meteorológicos ou visualizar televisão. A robótica espacial tem um passado recheado de progressos, um presente, fruto do avanço tecnológico feito até então, e um futuro bastante promissor. Cabe a cada cidadão manter-se informado acerca dos progressos não só da robótica espacial, mas da tecnologia e da ciência em geral, para que possa intervir ativamente nesse progresso e, se necessário, criticar construtivamente o avanço tecnológico. Relativamente aos objetivos da unidade curricular Projeto Feup, pode-se afirmar que foram todos cumpridos com sucesso. Se por um lado se aprendeu a realizar corretamente um relatório, um poster, uma apresentação oral em power point e uma exposição oral, durante a primeira semana de Projeto Feup e também durante as aulas que foram ocorrendo, também é de evidenciar o espírito de equipa que se criou entre os vários grupos formados e os laços de amizade que se foram criando, resultando tudo numa integração rápida, correta e eficaz num novo contexto escolar. Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 30

32 Referências Bibliográficas Texto Introdução (1) Alfaro, Adek C. Absi. Julho de 2006 Acedido a 5 de Outubro de (2) The Tech Museum of Innovation. Acedido a 5 de Outubro de A Robótica Espacial (3) Hooper, Rich. Acedido a 15 de Outubro de O Passado da Robótica Espacial (4) Souza, J.A.M. Felippe. Acedido a 12 de Outubro de (5) Wethington, Nicholos. 2 de Novembro de Acedido a 12 de Outubro de Robótica Espacial na Atualidade (6) Paiva, Maria da Conceição. Acedido a 10 de Outubro de (7) Laboratório de Sistemas Inteligentes. Acedido a 10 de Outubro de (8) Super Interessante. Março de Acedido a 10 de Outubro de a-nova-era-espacial&catid=28:artigos&itemid=120 Tipos, Características e Funções de Robôs Espaciais (9) Smith, Stephanie, Bob Shelton. 4 de Março de Acedido a 13 de Outubro de Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 31

33 (10) Volpe, Richard. Kristy Kawasaki. Acedido a 13 de Outubro de Exemplos de Robôs Espaciais Robonaut2 (11) Wright, Jerry. Brian Dunbar. 27 de Agosto de Acedido a 10 de Outubro de U Mars Global Surveyor (12) NASA. Acedido a 13 de Outubro de Mars Curiosity Rover (13) NASA. Acedido a 15 de Outubro de Figuras: Imagem de Capa: (14) Figura 1: (15) om/jo/g1/f/original/2013/10/23/robouea300.jpg Figura 2 (16) Figura 3: (17) Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 32

34 Figura 4: (18) Figura 5: (19) jpg Figura 6: (20) Figura 7: (21) resources/comparison.jpg Figura 8: (22) Figura 9: (23) Figura 10: (24) (fig8) Figura 11: (25) Figura 12: (26) Figura 13: (27) Figura 14: (28) Figura 15: (29) iosity_using_chemcam_msl _pia14760_msl_picture-3-br2.jpg Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 33

35 Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 34