PERNA ROBÓTICA AUTÔNOMA CYBER PHYSICAL SYSTEM

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1 PERNA ROBÓTICA AUTÔNOMA CYBER PHYSICAL SYSTEM Autores : Luan Cizeski de LORENZI, Dionathan Luan de VARGAS, Jessé de PELEGRIN. Identificação autores: Luan Cizeski de LORENZI, graduando em Engenharia de controle e Automação no IFC-Campus Luzerna e bolsista interno de extensão IFC-Campus Luzerna. Dionathan Luan de VARGAS, Técnico Laboratorista em Automação IFC-Campus Luzerna. Jessé de PELEGRIN, professor orientador IFC-Campus Luzerna. Introdução É de conhecimento geral que no mundo moderno, a robótica (autônoma ou não) vem ganhando cada vez mais espaço, ocupando setores e empresas que antes eram de domínio humano. Os robôs tem se mostrado de extrema eficiência e lucratividade comprovada, podendo operar em situações impróprias e/ou perigosas ao ser humano. A robótica na qual se embasou a construção desse artigo, em um primeiro momento, trata dos robôs com controle por computador, semelhantes aos robôs inteligentes, porém sem a capacidade de interagir com o ambiente. Se estes robôs forem equipados com sensores e software adequado, transformam-se em robôs inteligentes. Eles se limitam a repetir um sequência de movimentos, realizados com a intervenção de um operador ou memorizadas. A escolha da parte inferior humana, fez-se pelo desafio de montar um robo humanóide perfeitamente funcional, pois imitar a marcha é uma tarefa relativamente complexa, são vários movimentos que devem ser executados: retirar todo o peso da estrutura de uma base de sustentação de dois pontos (os dois pés), e colocar em somente um ponto (pé direito ou esquerdo) fora do centro de massa anterior, criar um novo centro, baseado num só ponto de apoio, colocar a perna a frente e repetir o processo com a outra perna, como fazem os bípedes. Na pesquisa sobre robôs com controle por computador, encontrou-se uma vertente da robótica chamada de sistemas físicos cibernéticos (do inglês Cyber Physical System - CPS), onde o projeto da perna robótica conseguiria se encaixar com exatidão. Para Lee (2008), Sistemas físicos-cibernéticos (CPS) (...)são integrações de computação com processos físicos. Computadores integrados, redes de monitoramento e controle dos processos físicos, normalmente com loops de feedback em que processos físicos afetam cálculos e vice-versa. No mundo físico, a passagem do tempo é inexorável e simultaneidade é intrínseca.

2 Nenhuma dessas propriedades está presente na computação e nas abstrações de rede nos dias atuais (LEE, 2008, tradução nossa) [1]. Já Wiener (1948) diz que CPS é estudo de um sistema eletromecânico que fosse desenhado para usurpar uma função especificamente humana (WIENER, 1948, tradução nossa) [2]. O presente projeto tem como objetivo desenvolver um equipamento capaz de imitar a deambulação e também servir como base para o estudo da região moto inferior humana, utilizando para tal fim o estudo dos CPS em conjunto com elementos mecânicos. Material e Métodos Primeiramente, foram desenvolvidos dois modelos ( A e B ) de perna robótica em software de desenho 3D (Autodesk Inventor Professional versão demo), afim de mostrar uma visão mais clara da ideia inicial do projeto, e também para evitar ao máximo o desperdício de material, assim, foi montada a tabela 1. Tabela 1 Comparativo entre os modelos A e B desenhados em software. Fonte: Próprios autores. Conforme a Tabela 1, o modelo B foi escolhido por ter mais características pertinentes a uma perna humana, além dos fatores que facilitariam a implementação da ideia. Cyber-Physical Systems (CPS) are integrations of computation with physical processes. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, usually with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa. In the physical world, the passage of time is inexorable and concurrency is intrinsic. Neither of these properties is present in today s computing and networking abstractions.

3 Figura 1 Modelos desenhados em software. Fonte: Próprios autores. Para a escolha dos motores, três tipos foram pesquisados num primeiro momento, os motores de corrente contínua (CC), os motores de passo e o servo-motores. Cada um tem uma vantagem específica, podendo executar tarefas de modos diferentes. A tabela 2 nos fornece as informações necessárias para a escolha do tipo de motor. Tabela 2 Pequena tabela de comparação com outros tipos de motores. Fonte: Programa de Educação Tutorial Grupo PET-Tele p.12 Modificação nossa[3] Voltando a fazer uma analogia com o movimento humano, alguns pontos interessantes surgiram: a perna deve sustentar o peso do corpo e fazer sua movimentação (torque), deve ser muito precisa em seus movimentos (precisão), não pode ser frágil (durabilidade), não pode necessitar de cuidados extras (manutenção). Levando em conta esses quatro aspectos, os motores escolhidos para o acoplamento da perna robótica, foram os motores de passo. Assim,

4 desenvolveu-se o cálculo de reação nos apoios, em que a força mínima que deve ser tracionada no ponto zero (eixo do motor), foram feitos os cálculos: M 0 = 0 (1) M 0 + (P B d) + (P A d) = 0 (2) M 0 + (10N 0,7m) + (10N 0,4m) = 0 (3) M 0 + (7Nm) + (4Nm) = 0 (4) M 0 = 11Nm ou 11 kgf (5) Como mostra-se na Equação 5, o torque no ponto zero (eixo do motor), na situação mais exigente de força, é de -11Nm (ou -11kgf). Como as características técnicas do motor de passo tem os mesmos requisitos procurados para a fabricação da perna, os motores escolhidos para o funcionamento da perna foram três motores de passo de 12kgf. Já a parte mecânica estrutural, como pode ser visto na versão B da Figura 2, é de fabricação simples, foram comprados: um pedaço de madeira de construção reutilizada, meia chapa de 1/8 polegada e um metro de tubo retangular de canto vivo perfil K-004 [4]. Na montagem, alinhou-se os motores e cada um ganhou seu suporte, depois acoplou-se o encaixe dos eixos e dos tubos. O pé foi construído em madeira para a redução de peso. Na parte de controle, uma placa irá receber todas as informações, dos potênciometros ela receberá variações de tensão para referência, já para os motores, a placa enviará a seus respectivos drivers sinais digitais, que serão convertidos por esse em forma de passo e posteriormente enviados aos motores. Com esse sistema de controle, será possível determinar a amplitude do movimento da perna. Resultados e discussão Até o presente momento, os resultados parciais obtidos foram a fabricação do modelo eletromecânico, a finalização do estudo da deambulação, e a finalização da placa de controle, além do fluxograma de controle da perna robótica, ela apresenta potencial para uma rápida evolução, já que é simples a mudança da primeira para a segunda fase do estudo (andar sob ordens do controlador e depois copiar a marcha humana). Comparando com outros CPS, ainda é um projeto pequeno, tanto nas limitações físicas quanto tecnológicas, já que os modelos que ela utiliza como base, são financiados por grandes corporações como o grupo Boston Dynamics e o grupo KAWADA, que tem grande parte de seu

5 faturamento milionário convertido para pesquisa desse tipo. O estudo dos CPS ainda é muito restrito no interior do estado, e vai precisar de pelo menos mais alguns anos para ser dominado de forma convincente, mas a perna robô já é um primeiro passo na busca da inovação científica nessa área. Conclusão Num momento inicial, a perna somente imitará os movimentos da perna já pré-definidos via software, porém, uma atualização já pretendida pela equipe, seria a imitação de uma perna humana, pela leitura de três eletrodos de superfície encaixados nos músculos do operador humano. Além disso, o objetivo é adquirir pernas de manequim para encobrir a parte de metal, para que o estudo da parte moto inferior se aproxime o máximo possível da condição humana da deambulação. Numa perspectiva bastante otimista, o projeto poderia evoluir para uma escala de muito mais complexidade, vindo a ser um exoesqueleto para a parte inferior humana, já que estão sendo trabalhadas parcerias com outras instituições para que a troca de ideias seja compartilhada, abrindo uma nova janela de oportunidades.

6 Referências [4] Alfa Alumínio especialista em aluminio, 16 (http://www.alfaaluminio.com.br/downloads/catalogo.pdf) acesso 18/08/15. [2] KIM, JOO H.; Cibernética, ciborgue e ciberespaço In: WIENER, Norbert (Org.). Cybernetics: or the control and communication in the animal and the machine. Massachusetts Institute of Technology, São Paulo: USP, P [1] LEE, Edward A. Cyber Physical Systems: Design Challenges. University of California at Berkeley - Electrical Engineering and Computer Sciences, Califórnia, Estados Unidos da América, v.01, n.1, [5] PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet, 01 (http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39632c.pdf) acesso 21/07/15. [3] Programa de Educação Tutorial, Universidade Federal Fluminense Grupo PET-Tele, 12 (https://www.telecom.uff.br/pet/petws/downloads/tutoriais/stepmotor/stepmotor2k81119.pdf) acesso 07/08/15.

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