Locomoção. Meios de Locomoção

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Zaira de Sequeira Arantes
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1 Locomoção Meios de Locomoção Propriedades da Locomoção Locomoção com Rodas 1 Meios de Locomoção Meios de locomoção terrestre: Rodas: o mais simples meio de locomoção; Esteiras: amplia a área de contato em relação a rodas; Pernas: imita a locomoção de seres vivos como bípedes, quadrúpedes, insetos, etc. Rastejamento e oscilação: imita a locomoção de aninais como cobras e taturanas. Salto: locomoção por meio de pulos como cangurus. OBS: A natureza não produziu seres vivos com rodas ou esteiras. Por que? 2

2 Posição, Orientação e Postura A posição de um robô é sua localização no plano ou no espaço expressa por meio de um sistema de coordenadas (cartesianas, polares, esféricas, geodésicas, etc.). Normalmente esta posição se refere ao centro de gravidade do robô). A orientação de um robô é sua atitude com relação a um sistema de referência (eixo X, norte magnético, plano da terra, etc.). É expressa por um conjunto de ângulos. A postura (pose) de um robô é sua posição e orientação correntes. Pitch Yaw θ Roll y x A pose de um robô de estrutura rígida que se desloca no plano X-Y é dada por (x, y, θ). A pose de um robô de estrutura rígida que se desloaca no espaço X-Y-Z é comumente dada por (x, y, z, r, p, y). 3 Estabilidade Um robô móvel é estável se conseguir manter suas condições operacionais ao longo do tempo, mesmo na presença de pequenas perturbações causadas por forças externas, vibrações internas, irregularidades no piso, etc. Comumente, dividimos a estabilidade em duas categorias: estática e dinâmica. Estabilidade estática significa que o robô é estavel mesmo com a posição inalterada no tempo. Estabilidade dinâmica significa que o robô é estável apenas na presença de locomoção (variação da posição no tempo). Exemplo: um triciclo possui estabilidade estática, enquanto uma bicicleta possui apenas estabilidade dinâmica. 4

3 Estabilidade A estabilidade de um robô móvel depende principalmente do número de pontos de contato com o solo, o tipo de contato (geometria, atrito, etc.), do centro de gravidade e da inclinação do piso. Um robô móvel pode possuir um sistema de controle para atingir estabilidade estática ou melhorar a estabilidade dinâmica (por exemplo, em baixas velocidades). Comumente este sistema atua sobre a atitude do robô alterando os pontos de contato com o solo e o centro de gravidade. Este sistema é fundamental em robôs bípedes. É possível atingir estabilidade estática com 3 pontos de contado com o solo e com o centro de gravidade do robô projetado sempre no interior do triângulo formado por estes 3 pontos. 5 Manobrabilidade Manobrabilidade se refere ao grau de independência entre a posição e orientação de um robô móvel durande sua locomoção. Um robô móvel capaz de se locomover independentemente de sua orientação é dito omnidirecional. Robôs omnidirecionais são capazes de percorrer qualquer trajetória mantendo sua orientação inalterada. Robô omnidirecional Robô não omnidirecional OBS: Um robô capaz de girar em torno de seu centro de gravidade (sem alterar sua posição) não necessariamente é um robô omnidirecional. 6

4 Controlabilidade Controlabilidade se refere à capacidade de um robô móvel se locomover arbitrariamente pelo ambiente utilizando apenas os comandos de atuação disponíveis no robô. É importante para se determinar a complexidade das trajetórias que o robô é capaz de realizar. Quanto maior os graus de liberdade (independência) dos comandos de atuação maior é a controlabilidade e a manobrabilidade do robô (a custa de um controle mais complexo). Por exemplo, um robô humanoide pode ter mais de 40 graus de liberdade para atuaçao (juntas), enquanto um robô diferencial possui apenas 2 graus de liberdade (velocidade das rodas). 7 Locomoção com Pernas Uma perna pode ser vista como uma estrutura rígida com 3 ou 4 graus de liberdade (juntas). Juntas eletromecânicas apresentam baixo torque, alto peso e alto consumo de energia (o oposto das juntas biológicas). O andar com pernas exige complexa coordenação de cada junta em cada perna. NAO Robot (Albebaran Robotics) 8

5 Locomoção por Rastejamento Um robô rastejante/oscilante é constituído de uma malha uni/bi/tridimensional de juntas cada qual com 1 ou 2 graus de liberdade. A operação coordenada das juntas forma um movimento de contração/expansão ou de vibração que, graças ao atrito com o meio (solo/água), desloca o robô. É um sistema de locomoção interessante para robôs de inspeção que devem se locomover por espaços confinados (por exemplo, em cenários de desabamentos). Tal como pernas, a performance e coordenação das juntas são fatores limitantes para este tipo de locomoção. EPFL AmphiBot Robô cirúrgico da InSightec 9 Existem várias configurações de rodas, sendo as mais comuns: Roda de tração: roda convencional conectada a um motor diretamente ou por meio de um sistema de tração (engranagens, correias, etc.); Roda de direção: roda com o sem tração utilizada para rotacionar o robô. Roda castor: roda sem tração utilizada apenas como ponto de apoio; Roda sueca: roda de tração com roletes que permite seu deslocamento em qualquer direção; Roda esférica: esfera deslizante com ou sem tração. 10

6 Tração Castor Sueca Esférica 11 Arranjos mais comuns: Omnidirecional Differencial-Drive Skid-Steer Tração Castor Omnidirecional Sueca Direção com tração 12

7 Arranjos mais comuns: Triciclo Ackermann Direção com tração Ponto de contato Direção sem tração Differential-drive 13 Mars Curiosity 14

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