Sistemas Robóticos Autónomos 1MIEEC10 Grupo 4 Gonçalo Gil Joana Cruz Joana Miller João Nuno Pedro Tavares
Índice 1. Resumo 2. Sistemas Robóticos Autónomos- o que são? 3. Componentes 4. Tecnologias envolvidas no funcionamento dos Sistemas Robóticos Autónomos 5. Vantagens e desvantagens do uso de Sistemas Robóticos Autónomos 6. Robótica no exterior 7. Conclusão 8. Bibliografia 1.RESUMO Os sistemas autónomos robóticos, desde a sua concepção no século XX têm vindo a ajudar o ser humano nas suas tarefas mais desagradáveis e a
fascinar este com as questões que nos coloca, científica e eticamente. Este relatório vulga explorar todos os aspectos que constituem estes sistemas, indo do seu fundamento e bases, aos seus componentes, tecnologias usadas neles. Depois disso, indicar-se-á domínios de aplicação na vida do ser humano, vantagens e desvantagens no seu uso, restrições á sua utilização e legislação nesse sentido e referiremos os usos mais comuns de sistemas robóticos autónomos no exterior. 2.SISTEMAS ROBÓTICOS AUTÓNOMOS- O QUE SÃO? Para sabermos realmente o que são sistemas robóticos autónomos, primeiro precisamos de perceber esta definição. Para tal, vamos dividi-la por termos; Sistema - Um sistema é um conjunto de componentes dependentes ou independentes que interagem entre si, formam um todo funcional Robóticos - Máquinas que não precisam de ser teleoperadas para atingirem objectivos no mundo real; máquinas que possuem autonomia em relação ao ser humano, tomando as suas próprias decisões conforme a sua programação Autónomos Independentes; funcionam sem necessitar de terceiros Assim sendo, podemos explorar mais este conceito, também num contexto histórico. Robot é checo para trabalho obrigatório e julga-se que esse termo foi popularizado pelo escritor checo Karol Capek numa das suas peças. Historicamente falando, no entanto, atribui-se esse termo a máquinas que possuíam características bastante complexas, predatando a 100 AC. Temos inclusive vários relatórios anedóticos de inventores no Renascentismo Europeu, como Leonardo Davinci, que produziram robots de mecanismos de relojoaria. Estas máquinas, contudo, não obedecem ao conceito moderno de robot. A definição mais popular de robot é a apresentada seguidamente por:
O robot é um sistema autónomo que existe no mundo físico/real, podendo sentir o seu ambiente, agindo sobre ele para cumprir objectivos ( The robotics primer, Maja J Mataric) Assim sendo, máquinas que não tomam decisões por si não podem ser consideradas robots (e.g. uma torradeira não é um robot). Esta definição permite-nos dissertar sobre o robot moderno. Começando pela primeira parte o robot é um sistema autónomo, o robot actua em base das suas próprias decisões, sem o controlo de humanos. No resto da definição temos que o robot existe no mundo físico. Ora um verdadeiro robot existe no mundo real, estando sujeito ás mesmas regras físicas que todos os seus habitantes. Robots que não existam no mundo físico são considerados simulações num mundo virtual. Necessita então de um corpo físico, constituído por várias partes. De seguida, o robot consegue sentir o seu ambiente. Para tal, necessita de componentes que lhe permitam isso, neste caso sensores (e.g. ver, ouvir,sentir, cheirar, tocar) para que consiga recolher informação do mundo físico para actuar nele, outra característica do robot moderno. Finalmente, o robot precisa de conseguir atingir objectivos no mundo físico, para que as suas acções perante a percepção do mundo real tenham algum significado. A robótica é então o campo de estudo dos robots. 3.Componentes- Revisitando a definição de sistema, podemos dizer que um sistema robótico autónomo é constituído por vários componentes que constituem um todo. O componente principal dos robots é um corpo físico, para que possa existir e actuar no mundo físico; Outros componentes são os sensores, para que possa percepcionar o ambiente que o rodeia e recolher informação; Temos depois os actuadores, para que possa tomar acções;
E por fim os controladores, para que possa ser autónomo. Corpo físico- o robot necessita disto para existir. Contudo, há implicações que advêm com tal: o corpo do robot têm que obedecer ás leis da física, estando incluído no mundo real; para tal precisa de usar os seus componentes actuadores para se movimentar, precisa de uma fonte de energia para usar nos seu processos como sentir, pensar e mover-se; precisa portanto de obedecer às leis deste mundo. Tendo um corpo, o robot precisa de ter a noção que coexiste com outros corpos e objectos no mundo físico. Precisam então de ter a noção que não podem/devem bater noutros corpos/objectos e precisam de se autopreservar. Dito isto, o robot também precisa de reconhecer as suas limitações físicas para saber o que pode ou não fazer, o que nos traz ao último ponto: a percepção temporal do robot. Esta é essencial para que robot saiba quando tomar certas decisões e de que maneira. Sensores- Os sensores são dispositivos que permitem captar informação de várias formas, para que o robot possa perceber o que o rodeia, obtendo assim informação sobre si e o ambiente á sua volta. O que um robot precisa de sentir, contudo, limita-se para o que é que o robot precisa de fazer. Para tal, existe uma miríade de sensores para uma miríade de tarefas diferentes. Isto permite ao robot saber o estado em que está. O estado é pois uma noção geral de existência e de descrição da situação em que o robot está. A partir daí o robot age. Quanto maior for o estado em que o robot está, maior é o seu processo de racionalização, necessitando de pensar mais para a reagir á informação e situação em que se encontra. Actuadores - Os actuadores são os mecanismos que permitem ao robot actuar fisicamente. Normalmente os actuadores dos robots são baseados em ser vivos e em funções próprias que desenvolveram e lhes permitiram
sobreviver num meio. Pernas, asas, barbatanas e outras partes do corpo que permitem ao robot locomoção. Por outro lado temos outros actuadores que são as ferramentas que lhes permitem actuar em si. Há vários tipos de acção necessários para que o robot seja capaz de actuar eficazmente no ambiente que o rodeia, sendo os mais importantes; Locomoção mover-se, mudar de posição Manipulação manusear objectos Importância dos Controladores e Questões de Energia Os seres humanos gastam a maior parte da sua energia nos seus órgãos actuantes, enquanto os robots gastam menos energia nos seus componentes actuantes. Contudo, os robots gastam muita energia nos seus controladores. Ambos são semelhantes no facto de possuírem um cérebro; deste modo, a protecção deste é essencial. A energia que um robot usa pode ser um problema. Para tal, temos que ter em conta as seguintes directrizes; - Ter energia suficiente sem carregar o robot com baterias pesadas - Isolar controladores de actuadores, devido á suas diferenças em termos de energia. - Prevenir quebras de performance aquando do gasto de energia, sendo ele maior ou menor; - Restauração de energia autonomamente, embora isto não seja muito comum. Autonomia/ Controladores:
Os controladores disponibilizam o hardware e o software que confere ao robot a sua autonomia, usando a informação recolhida pelos sensores para decidir o que fazer e para controlar as acções executadas para cumprir essa finalidade. Normalmente um sistema robótico tem mais que um controlador para diferentes actuadores/sensores. Deste modo, pode-se simplificar processos para cada componente, podendo os robots ter um controlador central ou não. 4.Tecnologias envolvidas no funcionamento dos sistemas autónomos robóticos As tecnologias envolvidas nos sistemas robóticos autónomos podem dividir-se pelos seus componentes. Corpo físico - usa-se bastantes tipos de materiais para este componente, conforme a finalidade do robot; normalmente são materiais resistentes que possam manter o robot funcional ao longo da sua existência perante influências do mundo físico (e.g impactos, quedas). O isolamento dos sistemas electrónicos também é uma parte importante e crucial para a vida do robot. Actuadores os actuadores podem ser rodas, garras, pernas, braços ou seja tudo o que os robots usam para executarem as suas tarefas. Os actuadores podem variar de mecanismos simples e primitivos ou bastante complexos, chegando a emular sistemas biológicos. Para se locomover, um robot pode possuir vários tipos de actuadores. Os mais básicos e os mais comuns possuem rodas. Robots mais complexos têm actuadores mais diversificados, como pernas, braços, asas e inclusive barbatanas, conforme o meio de locomoção Vários tipos de actuadores são:
Motores eléctricos- os mais comuns; funcionam a partir de corrente eléctrica, simplificando o sistema assim por partilhar o mesmo tipo de alimentação que os controladores (comunmente) Hidráulicos actuantes baseados em pressão de fluidos, ou seja, quando a pressão varia, o actuador move-se. Têm bastante potencial ao nível energético mas também podem ser bastante perigosos, precisando de os prevenir de verter os fluidos para a parte electrónica ou mesmo para o exterior, com algum tipo de fluidos usados. Pneumáticos- actuantes baseados em pressão de ar, ou seja, quando a pressão varia, o actuador move-se. São semelhantes aos hidráulicos a nível energético e os riscos de usar ambos são bastante semelhantes. Foto- reactivos- como o nome indica, estes actuantes funcionam através de estímulos luminosos. Estes tipos de actuantes não são muito poderosos, gerando pouco trabalho físico, sendo só usados em robots muito pequenos e micro-robots. 5.Vantagens e desvantagens do uso de robots - O uso de sistemas autónomos robóticos no quotidiano do ser humano traz vantagens e desvantagens, naturalmente. Usando a definição primordial de robot chega-se logo á principal vantagem dos sistemas robóticos autónomos; trabalho repetido. Isto permite que tarefas mais custosas a nível físico, com grande duração e constante repetição sejam relegadas a robots, não necessitando de seres humanos. Além do mais, o ser humano fica fatigado com tais trabalhos; o robot, se estiver construído para tal, suporta as tarefas atribuídas indefinidamente. Contudo, isto também é uma desvantagem porque os robots tomam os postos de trabalho dos seres humanos, o que é por sua vez refutável, visto que os seres humanos são os criadores dos robots; logo fecha-se postos de trabalho no plano da economia primária e abre-se postos de trabalho no plano da economia terciária, mais numerosos no entanto. Outro aspecto importante de referir é capacidades que os robots têm que os seres humanos não têm. Um robot pode suportar ambientes hostis ao ser humano desde que seja
criado para tal, sendo ideal para sondar áreas desconhecidas pelo Homem. 6.Robótica no exterior Os sistemas robóticos autónomos são usados em áreas exteriores de formas bastante diversas. Podem servir para emular animais, sondar ambientes hostis, mapear terrenos, gravar imagens a partir de posições variáveis e muitos outros usos. A robótica no exterior coloca maior ênfase nas áreas da locomoção e do controlo, contrastando com a robótica do interior. Enquanto a robótica no interior foca-se se mais em ambientes mais simples, não necessitando de ter sistemas de locomoção avançados e programas complexos, a robótica no exterior depara-se com ambientes mutáveis e um infindável número de variáveis, presentes no sistema Terra, um dos sistemas mais complexos. A robótica no exterior é pois um dos ramos dos domínios da aplicação da robótica que mais questões levantam e que ainda possui muito potencial; no entanto já se fez bastantes avanços científicos, que se transformam por sua vez em resultados práticos; Sondas Os sistemas robóticos autónomos são sondas ideais. Antes da introdução destes como sondas, métodos mais primitivos eram usados, métodos desses muitas vezes incorrectos ou pouco recorríveis. Á medida que se foi avançando no ramo da robótica, começou-se a usar robots para recolher informação a locais de difícil acesso/inacessíveis por seres humanos. Temos como exemplos disto as famosas sondas da NASA, enviadas á Lua e a Marte. 7.Conclusão -
Os sistemas robóticos autónomos são uma área de estudo bastante complexa, com um sem-fim número de variáveis e de possibilidades para o seu desenvolvimento como área científica. Esperamos ter exposto com este relatório os conceitos mais básicos dos sistemas robóticos autónomos e das suas aplicações no exterior. 8.Bibliografia Imagem da capa - www.marsrover.nasa.gov The Robotics Primer Maja J. Mataric