Robótica: visão e controle

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1 SIDII Seminário Interno da Disciplina de Introdução a Informática 1 Robótica: visão e controle Gustavo Teixeira, Gustavo Pereira, Renan Völz, Vinicius Rosa {iwhrim, jasterrogue9}@gmail.com, renanvolz@yahoo.com.br, viniciusr25@hotmail.com Universidade Regional Integrada Alto Uruguai a das Missões Campus de Santo Ângelo Resumo Este artigo apresenta um introdução à algumas das principais áreas que fazem parte do estudo da Robótica, tais como a Computação, Elétrica, Eletrônica e Mecânica. São descritos o que se estuda em cada área e como ela se relacionam para, na conclusão de um projeto, construir um robô. Sistemas de Visão computacional são usados pelo robô para que este possa perceber o mundo ao seu redor e, se forem programados para fazer algo, então executar algum movimento dinâmico com determinado objetivo. Espera-se que, no fim do artigo, o leitor seja capaz de compreender o que é a robótica, as áreas nela estudada e como ela está, atualmente, presente no nosso cotidiano. Seja nas indústrias, nas construções, nas casas e em vários lugares onde existe um robô desempenhando uma certa tarefa. Palavras-Chave: Robótica, Visão computacional, Controle. 1. Introdução A robótica vincula elementos da física e mecânica, tecnologia de sensores e atuadores, análise de padrões e visão computacional, estimativa e controle, e ciência da computação. O produto final de um sistema robótico é chamado de Robô. Termo esse que desponta no ano de 1921, em um filme de ficção científica da República Tcheca, dirigido por Karel Čapek, chamado Rossum's Universal Robots [COR 13]. O uso dos robôs têm levado a um grande crescimento na taxa de produtividade e qualidade na produção de objetos. Esse é um dos motivos principais pelo qual todo estudante deve conhecer ao menos alguns conceitos da robótica, pois ela está em todos os lugares principalmente nas indústrias. Este artigo irá abordar a visão geral robótica, os conceitos fundamentais, a visão de um robô e o controle e outros aspectos. Visão, aqui, se refere ao meio que o robô usa para extrair informações do que está ao seu redor. Eles podem ser sensores de medida de distância, aceleração, de peso e até mesmo câmeras, cujos sinais serão devidamente processados e enfim irão se tornar informações. O controle se refere à cinemática e dinâmica do robô. Os manipuladores robóticos seguem uma trajetória previamente planejada, envolvendo aí muito estudo prévio em movimentos, forças atuantes e resultantes, etc. Trata da importância dos conceitos de física na atuação de mecanismos robóticos. Não se pode fazer um robô submarino sem pensar no empuxo exercido pela água à 10 quilômetros abaixo do nível do mar. Todos esses conceitos levam à construção de um robô. Mas o que ele realmente é? Há muitas definições para esse termo. Segundo a Wikipédia, Um robô [...] é um dispositivo, ou grupo de dispositivos, eletromecânicos ou biomecânicos capazes de realizar trabalhos de maneira autônoma ou pré-programada. Bem como foi mencionado no parágrafo inicial: a junção das áreas da mecânica, elétrica e computação compreendem o estudo da robótica. Mas uma definição mais simples seria esta: uma máquina de objetivo orientado que pode sentir, planejar e agir [COR 13]. Por exemplo, sentir: Onde está o objeto?, Onde eu (robô) estou? ; planejar: Como mover A até B ; agir: Pegue A, mova até B. Onde encontramos robôs atualmente? Em quase todo o lugar: indústrias, hospitais, escolas, lojas, depósitos, no campo vigilando plantações e em muitos outros lugares. Avanços na robótica são realizados frequentemente, com o intuito de na maioria dos casos melhorar a condição de vida das pessoas ou de desenvolver robôs hábeis para fazer o que os seres humanos não são capazes. Erguer uma pedra de 600Kg, em uma pedreira, é possível com ajuda dos robôs da KUKA, por exemplo. Monitorar extensas áreas de plantio é demasiado caro para ser feito por humanos, mas com a ajuda da robótica, a solução fica muito mais barata. Como? Com um UAV veículo aéreo não tripulado, popularmente conhecido como drone é possível percorrer quilômetros e certificar-se de que tudo está ordem na plantação. Mas tudo isso provém de muito estudo e desenvolvimento das áreas da Computação e Engenharia. 2. Visão Computacional Uma das partes da robótica é a Visão Computacional, esta é responsável por fazer com que o robô perceba a situação do ambiente em que está inserido. Segundo o Wikipédia [...] é a ciência e tecnologia das máquinas que enxergam. Ela desenvolve teoria e tecnologia para a construção de sistemas artificiais que obtém informação de imagens ou quaisquer dados multidimensionais.

2 2 SIDII Seminário Interno da Disciplina de Introdução a Informática A visão computacional tem como referência o sentido homônimo, é através de estudos dos sistemas de visão biológicos dos seres vivos que são criados os modelos de sistemas que serão responsáveis pelo controle da visão artificial, que pode ser implementado em hardware ou software. Usualmente, a visão é empregada em uma série de tarefas como reconhecimento, movimento, restauração de imagens e reconstrução de cenas. Movimento é como denomina-se a área de atuação em que através de uma sequência de imagens é calculada por meio de estimativas a velocidade do objeto em cada ponto. A área de atuação da Reconstrução de Cenas é a parte em que dadas no mínimo duas imagens, os computadores geram modelos em terceira dimensão da cena. Segundo o Wikipédia, No caso mais simples, o modelo consiste somente em um conjunto de pontos tridimensionais; métodos mais sofisticados reconstroem também texturas e cores. A área da Restauração de Imagens destina-se a retirar ruídos e borrões das imagens. Ou seja, passar a imagens por tipos diferentes de filtros para deixa-la com mais qualidade. Os processos mais sofisticados de restauração, utilizam estruturas locais da imagem, como as extremidades ou linhas, para ter maior controle do processo de filtragem. A aplicação de algoritmos sofisticados promove a troca de partes corrompidas ou perdidas dos dados das imagens. O problema clássico, e com isso também a principal área de atuação, é o Reconhecimento. Sem esforço humano e de forma robusta, a atividade consegue ser concluída para objetos específicos. Contudo, em situações aleatórias e buscando objetos aleatórios, ainda falta capacidade de identificação para as tecnologias atuais. fig. 1 (Resultado de um sistema de Reconhecimento) Para que o robô possa detectar as condições do ambiente, é utilizado os sensores. Os sensores são dispositivos capazes de fazer a conversão de uma certa grandeza física em sinais elétricos correspondentes, e estes são interpretados pelo robô e de acordo com a sua função, ele executa a tarefa para qual foi criado. Existem inúmeras maneiras de dividir os sensores. As três maneiras mais comuns de separar os tipos de sensores são em Externos ou Internos, Ativos ou Passivos e de acordo com a grandeza que avaliam. Os sensores Passivos são os transdutores que captam a energia do ambiente. Já os sensores Ativos emitem algum tipo de sinal e depois voltam a captar a energia. Exemplos de sensores ativos são sensores laser, ultrassom e contato. Já o principal exemplo de Passivo são os sensores ópticos. Na divisão de acordo com a grandeza que avaliam, os sensores são divididos em quatro áreas. Segundo Ribeiro, distância, posicionamento absoluto, ambientais ou inerciais são como denominam-se as quatro partes desta divisão. [RIB 04 apud FRE 12]. Sensores que transformam a grandeza física da distância do robô até o objeto são os denominados sensores de distância, se encaixam nesta categoria sensores de ultrassom e laser. Os sensores ambientais são os responsáveis por captar certas condições do local em que estão colocados, por exemplo sensores de temperatura, umidade. Os sensores de posicionamento absoluto do robô são os que irão fornecer ao sistema de controle do robô a localização exata do dispositivo no momento, o principal exemplo desta categoria são os sistemas de GPS. A última categoria é dos sensores inerciais, estes indicam padrões de movimento de sistemas dinâmicos, baseados na 1ª Lei de Newton (Lei da Inércia), como por exemplo a velocidade e a aceleração do robô. A última, das principais formas de divisão, classifica em sensores externos e internos, os sensores externos são os que adquirem informações do ambiente em que o robô está inserido. São exemplos sensores de distância, de proximidade, de contato, infravermelhos, químicos, de força e ultrassom. Os sensores internos são responsáveis por obter informações sobre parâmetros internos do robô, ou seja, são encarregados de adquirir conhecimentos para manter o bom funcionamento do dispositivo. Um tipo muito importante de sensor interno são os Encoders. Os encoders é um dispositivo que fornecem informações sobre o controle do acionamento dos motores. Este aparelho eletromecânico que gerencia o servo posicionamento dos eixos do robô. Um encoder típico usa sensores óticos para fornecer uma série de pulsos que são traduzidos em movimento, posição ou direção [MOR 03 apud FRE 12]. Os encoders são classificados de duas formas, incremental e absoluta, de acordo com a forma que funciona. O encoder absoluto é responsável por fornecer a posição real do objeto e o encoder incremental só tem a capacidade de fornecer a informação da mudança de posição.

3 III SIDII Seminário Interno da Disciplina de Introdução a Informática 3 3. Cinemática e Dinâmica A cinemática trata do estudo analítico da geometria do movimento de um braço robótico. A dinâmica relaciona as posições, velocidades e acelerações que ocorrem numa trajetória com as forças fornecidas pelos atuadores [FER 99]. Em outras palavras, a dinâmica é o estudo das relações Torque/Forças nas juntas do robô versus o Movimento do robô e a Cinemática o estudo do movimento do robô. Para desenvolver um robô, primeiro estuda-se o que ele vai fazer, em seguida é feita a esquematização das forças atuantes no robô, calculado, por exemplo, os motores necessários para realizar um movimento que exija certa quantia de força, verificada a trajetória que o robô deve tomar, etc. Essas duas grandes áreas advindas da Física, dividem-se em vários outros tópicos, como os Movimentos Uniformemente Variados, Movimentos Circulares, Forças e Vetores, Leis de Newton, Trajetória de Curvas, Pêndulos, etc. Cada uma com sua função, porém todas integradas. Ao se desenvolver um Drone, por exemplo, devemos pensar que, assim como a água, o ar também é um fluido e, por tanto, exerce empuxo. Tendo isso em vista, deve calcular, de acordo com o peso do drone, a potência dos motores que é necessária para que o drone consiga se deslocar livremente pelo fluído (ar). 3.1.Robótica Industrial Uma das áreas da robótica que exige mais domínio da cinemática e da dinâmica é a robótica industrial. Dentro dela, há a necessidade de movimentar objetos de um ponto a outro, verificar produtos ou realizar outras tarefas, onde geralmente são usados braços mecânicos. Um manipulador mecânico (braço mecânico), é composto por: elos (corpo ou partes) divididos entre a base que dá sustento e a extremidade terminal, onde localiza-se o efetuador (garra ou ferramenta). Sendo cada parte conectada a partir do uso de articulações (juntas). Geralmente a quantidade de juntas, equivalem a quantidade de graus de liberdade quantidade de movimentos que o robô pode executar. fig. 2 (Robô industrial com seis juntas, logo seis graus de liberdade) Tudo isso, através de um sistema de transmissão de potencial mecânico, recebe sinais elétricos de atuadores que transformam grandezas elétricas recebidas em grandezas físicas (movimentos velocidade) para os elos. Os sinais assim omitidos pelos atuadores e sensores (responsáveis pela visão), são processados por uma unidade de controle gerenciando a movimentação do manipulador. Além disso, existe uma unidade de potência, que tem o fim de gerenciar a força necessária para a movimentação do manipulador. Um manipulador necessita interagir com o meio físico para executar suas funções, assim necessitando de um efetuador, já citado anteriormente. Ele deve ter a capacidade de realizar diversas funções, e maioria delas, após diversas pesquisas, são realizáveis através do uso de um manipulador similar a mão humana.

4 4 SIDII Seminário Interno da Disciplina de Introdução a Informática fig. 3 (Seis tipos básicos de preensão de uma mão humana) Os manipuladores atuais apresentam um alto desempenho em suas funções, mas isso exigiu evolução. Os robôs industrias são divididos em 3 gerações atualmente. As primeiras gerações tinham a necessidade de ter objetos fixos e bem localizados, sempre em uma ordem uniforme, pois os robôs atuavam de forma individual e linear. Já a segunda geração, implementou recursos computacionais e sensores que permitissem mais integração entre o manipulador e o ambiente, assim permitindo que os robôs industriais começassem a desempenhar funções como verificação de produtos e de reconhecimento de peças. E por fim, a terceira geração envolve os robôs que tem a capacidade de interagir uns com os outros, conectando-se em sistemas computacionais tomando decisões, capaz de tomar decisões e realizar funções mais complexas. O projeto de um robô envolve diversos estágios como o projeto de qual serão suas funções, a parte elétrica, a programação, escolha de peças, a fabricação e modelagem, os testes e outros apuros e imprescindíveis etapas para que tudo venham a funcionar perfeitamente. Isso torna o seu custo um pouco elevado, mas em uma relação de trabalho, tempo e custo e pequena taxa de erros, eles vem a ser vantajosos. 4. Atualidade A indústria faz grande uso dos robôs para operar máquinas pesadas, realizar trabalhos perigosos para os seres humanos e realizar atividades que necessitem de uma perfeita precisão e minucioso cuidado. A KUKA Robotics está entre os fabricantes líderes mundiais de robôs industriais e um exemplo de seus vários braços robóticos é o KR Agilus. Embora seu tamanho seja pequeno, ele está preparado para velocidades de trabalho especialmente elevadas e de alta precisão, possuindo cinco eixos para movimentação. fig. 4 (KR Agilus em exposição) Robôs também estão sendo desenvolvidos para atuarem na área da Saúde, com o objetivo de dar apoio à idosos e deficientes, participarem de cirurgias e funcionarem como um membro e até mesmo um órgão artificial. Um exemplo é robô da Vinci, financia pela DARPA (Agência de Projetos de Pesquisa Avançada para Defesa), que, dentre suas inúmeras funções, também atua no auxílio de cirurgias à longa distância. Suponha-se que não há um médico cardiovascular no hospital no momento, mas um paciente precisa ser operado imediatamente, o que eu acontece? É solicitado à um médico que guie o robô e execute a operação, estando o médico em São Paulo, por exemplo, e o robô em Porto Alegre. Isso funciona e é usado, entre outros hospitais, no Hospital Israelita Albert Einstein, em São Paulo. A terceira geração do Rover (veículo de exploração espacial) da NASA, chamado Curiosity, têm realizado pesquisas e experimentos em Marte, com o objetivo não só de conhecer a sua superfície, mas também

5 III SIDII Seminário Interno da Disciplina de Introdução a Informática 5 de classificar o planeta como habitável (através de um processo de Terra-Formação) ou não. Movido à energia solar, ele contém inúmero sensores para análise de solo, atmosfera, temperatura e pressão; afim de realizar estudos Atmosfera e da Geologia de Marte, entre outros estudos. Possui sistema de visão computacional cuja entrada de dados é feita através de duas câmeras frontais, melhorando o sistema deslocamento através da superfície rochosa do planeta. Em 2012, a missão da Curiosity, que iria levar 2 anos, foi estendida por prazo indeterminado. fig. 4 (Curiosity, o Mars Rover ativo da NASA) O Google, um dos líderes mundiais na área de TI, não podia ficar de fora da área da robótica. Recentemente comprou a empresa Boston Dynamics que investia e agora investe ainda mais em um time de pesquisadores do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) que desenvolveu e está aperfeiçoando o robô Cheetah. O objetivo divulgado foi para o desenvolvimento tecnológico, mas a primeira aparência do projeto é logo algo relacionado ao exército militar nada oficial. O robô possui sistema de visão baseado em lasers, sendo assim possível o mapeamento do que está à frente dele. Consegue correr em até 45,5Km/h e até desviar obstáculos pulando de até 45cm de altura. Muitas outras funcionalidades estão sendo implementadas, afinal esse é um projeto que chama muito a atenção. fig. 5 (Cheetah escalando em terreno com neve) 5. Referências [COR 13] CORKE, Peter. Robotics, Vision and Control: fundamental algorithms in MATLAB. Springer, ISBN [FER 99] FERREIRA, Nuno Miguel Fonseca. Simulação Dinâmica e Controlo de Robôs Industriais. Tese de Mestrado. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. [MOR 03 apud FRE 12] RIBEIRO, M. Isabel. Sensores em Robótica, Enciclopédia Nova Activa Multimédia, Volume de Tecnologias, pags Portugal, FREITAS, Jonatas A. de. Sensores, Atuadores e Unidades de Controle Disponível em:

6 6 SIDII Seminário Interno da Disciplina de Introdução a Informática < [RIB 04 apud FRE 12] MORAES, Airton Almeida de Moraes. Robótica. Departamento de Meios Educacionais e Gerência de Educação, Diretoria Técnica do SENAI-SP. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial, Apostila. In: FREITAS, Jonatas A. de. Sensores, Atuadores e Unidades de Controle Disponível em: <