DESENVOLVIMENTO DE ROBÔ MÓVEL HOLONÔMICO PARA TRANSPORTE E EMPILHAMENTO DE CARGAS EM PLATAFORMA LEGO NXT

ERICK PFEIFER

Laboratório da Automação e Controle, Departamento de Engenharia de Telecomunicações e Controle,

Universidade de São Paulo

Av. Prof. Luciano Gualberto, trav. 3, n. 158, São Paulo – SP, 05508-900

E-mail: erick@lac.usp.br

ALONSO DE A. SIMÕES1

DANILLO S. FARIAS2

LEANDRO RIEDNER3

Núcleo de Robótica, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Católica Dom Bosco

Av. Tamandaré, 600, Jd. Seminário, Campo Grande, MS, 79117-900

E-mails: 1alonso.simoes@hotmail.com, 2dan_sfarias@hotmail.com, 3leandro.riedner@gmail.com

Abstract This text describes the implementation of an autonomous robot capable of tracking, manipulating and storing payl-oads of a simulated seaport working environment. In order to achieve this capability, is utilized expansive reconfigurable robot-ics kits with some actuators and sensors from expansion kits. The tracking of objects is made by color sensors, while the robot’s positioning is achieved by using internal encoders provided with the traction motors, the payload manipulation realized with a mechanic clamping system.

Keywords Autonomous robotics, seaport environment, reconfigurable robotics.

Resumo Este texto descreve a implementação de um robô autônomo capaz de rastrear, manipular e armazenar cargas simu-lando trabalho de apoio portuário. Para tanto, é utilizado robótica reconfigurável em conjunto com kits expansivos de atuadores e sensores. O rastreamento dos objetos é feito por meio de sensoriamento de cores, enquanto o posicionamento é feito por meio de encoders acoplados aos motores de tração e a manipulação das cargas e realizada por meio de um sistema de pinça mecânica.

Palavras-chave Robótica autônoma, ambiente portuário, robótica reconfigurável.

1 Introdução

Em décadas passadas, robôs eram apresentados so-mente por ficção científica ou pela imaginação hu-mana. No início dos anos 60 os primeiros robôs fo-ram construídos com o intuito de substituir tarefas de risco à vida humana, ou em casos de extremo esforço físico ou trabalhos repetitivos (Pasos, 2002).

Nos dias de hoje, os robôs estão ganhando seu espaço e se tornaram uma realidade muito próxima das pessoas. Robôs móveis autônomos podem ser usados em diferenciadas aplicações, como: mapea-mento de resíduos tóxicos e pontos de risco (Hayes, 2002), aplicações aeroespaciais para exploração em ambientes hostis (Ambrose,1995), inspeção remota em ambientes industriais para detecção de altas tem-peraturas e radiação (Monkman, 1993), detecção de bombas em zonas de conflito e limpeza de reatores nucleares (Wagner, 1999).

O desenvolvimento de um robô móvel autôno-mo não é uma simples tarefa porque envolve muito conhecimento em engenharia, principalmente nas áreas de mecânica, eletrônica, instrumentação, con-trole e automação (Rosário, 2005). A geração do

trajeto e o desenvolvimento do controle estratégico para o robô executar uma seqüencia de operações especifica é muito complexa (Pedrosa, 2002).

Este texto apresenta os aspectos da construção de um robô autônomo omnidirecional a partir de kits de robótica e periféricos de auxílio visando participa-ção na categoria Livre da VII Competição IEEE Bra-

sileira de Robôs e do VIII LARC (Latin American

Robiotics Contest). Este robô é desenvolvido no âm-bito da Universidade Católica Dom Bosco - UCDB como Projeto de Pesquisa intitulado “Robótica com-

petitiva: desenvolvimento de tecnologias para com-

petições de robôs móveis” e apoiado pelo CNPq/UCDB.

Também serão abordados aspectos relacionados à programação, estratégia e composição mecânica do robô.

2 O desafio portuário

O desafio proposto propõe a construção de um robô para detecção, transporte e empilhamento de cargas, abordando o problema de manejo de containeres no porto da cidade de Valparaiso localizada no Chile.

Na Figura 1 ilustra-se a arena na qual será reali-zada a tarefa proposta.

O robô deve iniciar em uma área especificada, devendo deslocar-se até a área dos containeres limi-tada por linhas verdes onde recolherá um container e o levará para eu devido local de armazenamento.

Os containeres verdes devem ser depositados na área verde, e os azuis na área azul. Já os containeres vermelhos devem ser depositados em áreas especifi-cas o que requer do robô precisão no depósito das cargas.

Para completar a tarefa proposta com rapidez e eficiência são utilizadas estratégias que buscam sim-plificar e reduzir movimentos e operações sem perder precisão e coerência.

3 Configurações Mecânicas e Eletrônicas

Construir robôs utilizando kits de robótica com estru-turação mecânica reconfigurável é vantajoso, qual-quer readaptação de projeto pode ser realizada em pouco tempo melhorando o aproveitamento do robô em caso de possíveis imprevistos.

Tecnologias aplicadas à robótica didática propi-ciaram a utilização de kits de LEGO NXT (Lego) em tarefas que requerem maior aptidão do sistema de sensoriamento e dos atuadores do protótipo.

3.1 Sistema de locomoção holonômico

A arquitetura na forma de barras utilizando peças do kit de robótica NXT facilitou a construção de um robô simétrico e leve, Figura 2.

Os motores utilizados possuem precisão e bom torque para os requisitos do sistema. A respeito de sua utilização pode-se destacar o sistema de locomo-ção holonômico obtido por rotação dos eixos de tra-ção.

Dois servomotores sincronizados alteram a ori-entação do eixo de tração possibilitando ao robô des-locar-se em qualquer direção sem modificar sua ori-entação. Uma roda de apoio equilibra o sistema.

Os dois motores utilizados para tração são pro-venientes do kit Lego, possuindo torque de 15 N.cm. Os servomotores, modelo HS-311 (Hitech), possuem

velocidade angular de 0,15/60 s/deg que proporciona elevada velocidade de reposicionamento, fator im-portante para a estratégia adotada.

3.2 Sistemas eletrônicos

O padrão de comunicação I2C (Inter-Intergrated Cir-

cuit) utilizado pelo módulo NXT para receber atuali-zações dos sensores, possibilitou o interfaceamento com o controlador dos servomotores viabilizando a criação do robô e seus sistemas eletrônicos.

Estes sistemas podem ser divididos basicamente em sensoriamento, inteligência e atuação.

O sistema eletrônico de sensoriamento, similar-mente ao sistema dos atuadores, também se contrasta entre si conforme os tipos de sensores, sendo eles:

• Sensores de toque: são utilizados para estabe-lecer limites de movimento;

• Encoders de quadratura: de suma importância para a navegação do robô, tendo função de odômetri-a. São utilizados os encoders pré-instalados aos mo-tores de tração dos kits de Lego;

• Sensor de luz: responsável pela identificação do tipo de container bem como os limites das áreas de carga e descarga.

Os circuitos eletrônicos de “inteligência” utili-zam a plataforma de processamento e inteligência reprogramável NXT da LEGO (com um processador Atmel 32-bit) para controlar e monitorar os sensores e atuadores de forma continua em pipeline.

4 Considerações finais

Para a construção de um protótipo devem-se avaliar alguns fatores importantes: criar a estrutura mecânica (usinar peça a peça) é o ideal quando se tem muito tempo e recursos financeiros para investir no projeto gerando possibilidades ilimitadas de movimento, no entanto, a possibilidade de utilizar robótica reconfi-gurável permite readaptações de projeto com muita facilidade e alta reposição de peças, o que é ideal para casos de campeonatos que podem ocorrer em

Figura 1. Representação do problema portuário (Ilustração Virtual).

Figura 2. Robô desenvolvido para o problema portuário.

cidades desprovidas de recursos para substituir even-tuais peças danificadas. É importante ressaltar o quanto as competições e desafios de robótica incentivam a pesquisa e desen-volvimento, fomentando as pesquisas de forma muito positiva e contribuindo com a formação de engenhei-ros, graças aos aprimoramentos dos conceitos multi-disciplinares, incluindo mecânica geral, ciência dos materiais, eletrônica analógica e digital, microcontro-ladores, controle e servomecanismos, lógica e pro-gramação adquiridos com os projetos, bem como o uso de várias ferramentas como AutoCAD, 3DStudio, SolidWorks e simuladores eletrônicos (Multisim, PSPice).

Referências Bibliográficas

Pasos, F. (2002). Automação de Sistemas &

Robótica. Axcel Books do Brasil Editora Ltda. Hayes, A. T., Martinoli, A., Goodman, R. M. (2002).

Distributed Odor Source Localization. IEEE

Sensor Journal, Vol. II, No. 3. Ambrose, R., Askew, R. S. (1995). An Experimental

Investigation of Actuators for Space Robots. IEEE Internarional Conference on Robotics and

Automation, pp. 2625 – 2630. Monkman G. L., Taylor R. D. (1993). Thermal

Tactile Sensing. IEEE Transactions on Robotics

and Automation, Vol. IX, No. 3. Wagner, L. A. Lindenbaum, M., Bruckstein, A. M.

(1999). Distributed Covering by Ant-Robots Using Evaporating Traces. IEEE Transactions

on Robotics and Automation, Vol XV, No. 5. Lego. Manual 8527 Mindstorms NXT Kit.

Homepage: http://mindstorms.lego.com

Rosário, J. M. (2005). Princípios da Mecatrônica. São Paulo: Prenice-Hall.

Pedrosa, D. P. F., Medeiros, A. A D., Alsina, P. J. (2002). Geração de Caminhos Ponto-a-Ponto para Robôs Móveis com Rodas. Anais do XIV

Congresso Brasileiro de Automática.