Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Curso: Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Unidade Curricular: Projeto FEUP
ROBÔS NO DIA-A-DIA
Robôs no Espaço
Supervisor: Professora Teresa Margarida Guerra Pereira Duarte
Monitor: Fernando Silva
Equipa: 1M07_02
Autores: Carlos Marcelo Silva Torres 201403952
Daniel Santos Fidalgo 201403487
David Augusto Ferreira do Couto Fonseca da Silva 201403933
Luís Gonçalo Oliveira Fonseca 201403418
Rita Gonçalves Reis Dantas 201403351
Data de entrega: Porto, 3 de Novembro de 2014
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 1
“Um robô não é só uma máquina. Um robô é uma
máquina feita para imitar o melhor do homem.”
Isaac Asimov
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 2
Resumo
Com o intuito de transmitir toda a informação necessária à compreensão do
campo da robótica espacial, o tema do trabalho foi dividido em vários subtemas, para
que se perceba o alcance desta área da robótica e, assim, apresentar a informação de
uma forma clara e eficaz.
Começa-se por dar um principal destaque à centralidade que a robótica
espacial tem na atualidade e qual o seu principal objetivo: substituir o Homem no
desempenho de funções ligadas ao espaço difíceis ou mesmo impossíveis de serem
realizadas.
Depois de se fazer uma apresentação geral do tema, prossegue-se à
apresentação da evolução histórica da robótica espacial, desde o século XIX, passando
pelo contributo para a robótica proveniente da rivalidade existente no passado entre os
Estados Unidos da América e a Antiga União Soviética, e terminando na influência da
robótica espacial na atualidade.
Faz-se também referência a alguns dos robôs com mais destaque nesta área,
como Robonout 2, evidenciando-se os seus principais contributos para a robótica
espacial, uma descrição pormenorizada sobre as suas componentes e mecanismos, do
seu sistema de controlo e do teste no espaço ao qual o robô foi submetido. Também se
faz uma breve referência ao Mars Curiosity Rover e ao Mars Global Surveyor, robôs
desenvolvidos pela NASA, com o intuito de estudar Marte e descobrir se realmente
existiu vida neste planeta.
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 3
Palavras-Chave
Robótica
Espaço
Evolução
ROV
RMS
Modo Automático
Modo Remoto
Satélites
Rovers
Landers
Robonaut2
Mars Global Surveyor
Mars Curiosity Rover
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 4
Agradecimentos
Este relatório não resulta apenas de um esforço de equipa, mas também do
auxílio de todos aqueles que nos acompanharam na elaboração deste relatório. Em
primeiro lugar, queríamos agradecer à supervisora, a Professora Teresa Duarte, por ter
estado sempre tão disponível e nos ter guiado ao longo da elaboração deste relatório.
Não nos podemos também esquecer dos importantes conselhos do nosso monitor,
Fernando Silva, que tanto nos ajudaram nos momentos mais difíceis a encontrar o
melhor caminho para superar os obstáculos e chegar aos nossos objetivos.
Não menos importantes foram as informações disponibilizadas pelos Professores
Armando Sousa e António Mendes Lopes, nas visitas aos departamentos de Engenharia
Electrónica e Engenharia Mecânica.
Por fim, queríamos deixar uma palavra de agradecimento a todas as entidades
que participaram nas palestras da Semana do Projeto FEUP, que nos ajudaram a entrar
neste novo mundo que é o Ensino Superior.
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 5
Índice:
Resumo…………………………………………………………………………2
Palavras-chave……………………………………………………………… 3
Agradecimentos………………………………………………………………4
1-Introdução …………………………………………………………………8
2-A Robótica Espacial………………………………………………………9
3-O Passado da Robótica Espacial……………………………………… 10
4-Robótica Espacial na Atualidade………………………………………12
5-Tipos, Características e Funções de Robôs Espaciais………………15
6-Exemplos de Robôs Espaciais………………………………………….17
6.1Robonaut2……………………………………………………………… 17
6.1.1Definição………………………………………………………17
6.1.2Descobertas Tecnológicas…………………………………18
6.1.3Especificações………………………………………………18
6.1.3.1Pernas………………………………………………19
6.1.4Sistema de controlo…………………………………………19
6.1.4.1Modo Automático………………………………… 19
6.1.4.2Modo Remoto………………………………………20
6.1.5Testes no espaço…………………………………………….20
6.2Mars Global Surveyor………………………………………………22
6.2.1Definição……………………………………………………22
6.2.2Características e Funções……………………………… 22
6.2.3Missão…………………………………...………………… 22
6.3Mars Curiosity Rover………………………………………………24
6.3.1Definição..………………………………………………… 24
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 6
6.3.2Aterragem e Primeiras Missões ..………………………24
6.3.3Especificações…..…………………………………………25
6.3.4Instrumentalização………………….……………………26
7-Conclusão…………………………………………………………… 30
Referencias Bibliográficas..………………………………………… 31
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 7
Índice de imagens:
Figura 1- Humanoide ………………………………………………7
Figura 2- Projeto de uma base espacial robótica na Lua …… 8
Figura 3- Sputnik 1…………………………………………………9
Figura 4 - Gráfico da construção de tecnologia espacial e lançamento de
satélites ………………………………………………………………10
Figura 5 – Simulação da entrada na atmosfera de marte…….11
Figura 6 – Transístor em nanotubos de carbono………………12
Figura 7 -Gráfico de comparação entre os nanotubos de carbono e outras
ligas metálicas. ……………………………………………………12
Figura 8- Lemur IIb……………………………………………… 14
Figura 9- Robonaut2………………………………………………15
Figura 10 - Robonaut2 apertando a mão a um astronauta……16
Figura 11- constituição do Mars Global Surveyor…………… 19
Figura 12- Aterragem do Curiosity em Marte…………………21
Figura 13 - Sojouner,Spirit e Curiosit……………………………22
Figura 14 - Instrumentos Curiosity………………………………23
Figura 15- Curiosity a usar o laser………………………………24
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 8
1-Introdução
Hoje em dia, quando se pensa em robôs
muitas ideias diferentes podem vir à cabeça: desde
aqueles humanoides que aparecem sempre nas
capas das revistas científicas aos robôs espaciais
até aos pequenos aspiradores que toda a gente
conhece. Por isso, é um conceito relativamente
muito extenso e difícil de definir.
No entanto, de acordo com o dicionário,
um robô pode ser definido como: “um mecanismo
automático, por vezes com a configuração de um
ser humano, capaz de fazer movimentos e executar
certos trabalhos em substituição do homem”
(infopedia.pt, 2014)
Pode-se, deste modo, concluir que um robô é uma máquina capaz de executar
ações automáticas previamente definidas pelo homem ou que são instituídas no
momento pelo homem através de um controlo remoto. Contudo, atualmente também já
se pode falar em robôs capazes de executar tarefas e ações espontâneas, ou seja,
inteligência artificial. (1)
O principal objetivo dos robôs é substituir o homem num conjunto de ações que
poderão ser perigosas, que o homem é incapaz de realizar ou que não efetua de um
modo tão eficaz. Assim, existe um número variado de robôs especializados em
diferentes áreas como por exemplo: robôs industriais (que são os mais comuns), robôs
domésticos, robôs militares, robôs humanoides, robôs escolares e robôs espaciais (que
são aqueles que iremos abordar ao longo deste trabalho). (2)
Este trabalho foi desenvolvido no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP,
com o objetivo de incutir nos alunos o espírito de equipa, aspeto fundamental na
realização profissional de cada indivíduo, nomeadamente em engenharia, expor as
regras fundamentais para a correta realização de um relatório, de um poster, de uma
apresentação em power point e de uma exposição oral e, finalmente, integrar os novos
alunos universitários neste novo meio académico.
Figura 1- Humanoide (15)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 9
2-A Robótica Espacial
A robótica é um tema cada vez mais atual. É a robótica que nos permitiu a
produção em massa e que tanto facilitou a produção e consequentemente o nosso dia-a-
dia. Deste modo, a noção de que os robôs são para substituir a mão-de-obra humana é
totalmente errada, eles apenas nos facilitam os processos e diminuem os riscos.
O ambiente espacial é visto como um dos mais duros desafios para a robótica
dos dias de hoje sendo a exploração deste ambiente um campo onde o desenvolvimento
da tecnologia é extremamente necessário. Neste momento, o espaço é ainda inóspito aos
seres humanos sendo visto como fonte inesgotável de novas informações, e novos
problemas. Esta procura incessante por conhecimento leva à elaboração de variadas
missões, como de observação, investigação e comunicação (que nos deu os satélites que
muita utilidade têm nos nossos dias) e consequentemente possui alguns riscos, pelo que
é propício o desenvolvimento da robótica a nível da necessidade de criar sistemas
robóticos com alto nível de automação, que possam substituir os humanos em cada vez
mais atividades, sendo o objetivo a criação de robôs inteligentes, capazes de sobrevier a
um ambiente hostil e desconhecido, desempenhando um número inimaginável de
tarefas. (3)
Figura 2- Projeto de uma base espacial robótica na Lua (16)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 10
3-O Passado da Robótica Espacial
A exploração espacial iniciou o seu desenvolvimento essencialmente nos
meados do século XIX e com ela tornaram-se evidentes as limitações físicas do homem:
era incapaz de suportar grandes variações térmicas, não sobrevivia em ambientes sem
oxigénio, necessitava de alimento e água,… Por isto houve necessidade de construir
“máquinas” que substituíssem o homem nas diferentes missões espaciais. Deste modo,
desenvolveram-se os chamados robôs espaciais capazes de recolher imagens e amostras
sobre o comando do sere humano.
Estas missões espaciais iniciaram-se nos anos cinquenta e sessenta e foram
marcadas pela chamada Guerra Fria entre as duas grandes potências mundiais da altura:
Estados Unidos da América (EUA) e União das Repúblicas Socialistas Soviéticas
(URSS). Estes dois países disputaram a supremacia na exploração espacial e investiram
nesta área com o objetivo de estarem sempre um passo à frente na descoberta do
universo. Assim, verificou-se uma grande quantidade e intensidade de missões pioneiras
comandadas tanto pelos Estados Unidos como pela União Soviética.
O primeiro
robô espacial foi o
famoso satélite
Sputnik1 criado pela
União Soviética e
lançado a 4 de
Outubro de 1957.
Este satélite artificial
foi colocado na orbita
terrestre e tinha a
simples função de
lançar sinais de rádio
para a Terra. Acabou
por cair três meses depois do seu lançamento, no entanto, foi extremamente importante
para despoletar a “corrida espacial” e um conjunto de missões de espaciais que nos
forneceram diversas informações sobre o universo.
Os EUA responderam imediatamente 4 meses depois ao Sputnik lançando o
Figura 3- Sputnik 1 (17)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 11
Explorer I, também um satélite artificial mas mais avançado. A este seguiram-se vários
outros satélites enviados por ambas as partes não só para a órbita terrestre mas também
para a de outros planetas como Vénus e Marte que proporcionaram mais tarde ao
homem viajar para o espaço, nomeadamente para a Lua. (4)
Aos satélites artificiais, seguiram-se diversos robôs como as sondas que são
responsáveis por recolher informação dos planetas e satélites em que se encontram.
Dentro das sondas há os landers e os rovers que são capazes de aterrar nos astros
celestes que estão a estudar.
Uma das primeiras sondas lançadas, que era mais precisamente um rover
desenvolvido pela URSS, foi o Lunokhod1 que aterrou no solo lunar a 17 de Dezembro
de 1970 com o objetivo de estudar as características físicas e químicas da Lua. Este robô
foi extremamente importante por ser muito avançado para a época e constituir uma
grande evolução tecnológica. Para além disso, foi o primeiro rover usado na Lua que
possuía controlo remoto.
Dentro das missões efetuadas por landers, pode-se destacar as primeiras sondas
em Marte: a Viking1, lançada a 20 de Agosto de 1975, e a Viking2, lançada a 9 de
Setembro do mesmo ano, pela NASA. O programa espacial Viking tinha como principal
objetivo recolher imagens e estudar o planeta. Foi uma das missões mais bem sucedidas
e permitiu-nos ter uma ideia totalmente diferente de Marte.
Desde os anos oitenta até à atualidade a utilização de robôs espaciais continuou,
embora de forma menos intensa e já com a intervenção de outros países para além da
União Soviética (que entretanto se extinguiu) e dos EUA, como a China que é
responsável pelo Chang’e3 lançado em 2013 para a Lua. (5)
Figura 4 – Gráfico da construção de tecnologia espacial e lançamento de satélites
(fonte: Futron) (18)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 12
Figura 5 – Simulação da entrada na
atmosfera de marte. (19)
4-Robótica Espacial na Atualidade
As corporações associadas à tecnologia da robótica espacial têm apostado
fortemente na inovação e no progresso, no sentido de aumentar o conhecimento atual do
cosmos e, consequentemente, expandir as fronteiras do conhecimento. O universo ainda
nos é apresentado como uma grande incógnita e, como tal, o principal objetivo da
robótica espacial na atualidade baseia-se na cimentação de conhecimentos sobre o
cosmos adquiridos até então e ainda na sua expansão. Pretende-se então ultrapassar as
barreiras que o universo tem vindo a impor ao Homem e que tem dificultado a sua
exploração. (6)
Se por um lado, nos últimos séculos, a exploração do universo foi potenciada
pela rivalidade entre os Estados Unidos da América e a antiga União Soviética,
atualmente, já não se trata tanto de uma corrida pela conquista do cosmos, mas sim num
conjunto de interesses coletivos, que motivam a vontade de explorar um mundo
completamente novo e surpreendente.
Várias são as dificuldades e as preocupações que devem ser ultrapassadas pela
robótica espacial para que uma ida ao espaço corra de acordo com aquilo que se planeou
e, obviamente, seja bem sucedida. Se por um lado o material utilizado na construção dos
robôs deva ser suficientemente resistente às adversidades do universo (radiação,
material interstelar, ventos solares, entre
outros), o material deve ainda garantir a
integridade do corpo – na entrada ou
reentrada na atmosfera terrestre oude
Marte (figura 5) - e ainda possibilitar a
concretização correta da função para o
qual o robô foi concebido. Há ainda a
considerar as distâncias astronômicas que
um corpo robótico deve percorrer, sendo
que normalmente os percursos se realizam dentro do sistema solar.
Assim, a robótica espacial tem potenciado as pesquisas tecnológicas, com o
objetivo de estudar novos materiais que permitam aumentar a eficiência dos robôs,
nomeadamente no transporte de materiais até ao espaço, na inspeção de tecnologias que
já se encontram operacionais, bem como a sua manutenção e reparação se necessário, na
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 13
Figura 6 – Transístor em
nanotubos de carbono (20)
substituição de astronautas que estejam em missão, na exploração de novos territórios
espaciais, como planetas, através de imagens enviadas pelo corpo robótico para a Terra
e análise de amostras extraídas do solo, exploração de outros corpos celestes, entre
outros. (8)
Então, é neste contexto que a robótica espacial desenvolve o seu trabalho,
aplicando todo o conhecimento retido até hoje, bem como experiências feitas no
passado, tanto as bem sucedidas como as mal executadas. É, portanto, o estudo de
novos materiais e o aperfeiçoamento de outros já existentes que marcam a atualidade
desta área.
Inicialmente, consoante o objetivo que se pretenda atingir, começa se pela
eleição dos materiais que permitam o robô desempenhar corretamente a sua função, o
torne resistente e o mais leve possível. Um dos principais materiais mais promissores na
construção de robôs espaciais são os nanotubos de carbono. Estes nanotubos são
filamentos com estrutura cristalina compostos por átomos de carbono, que devido à sua
estrutura, possuem propriedades que, aos serem integrados noutros componentes,
tornam o material bastante resistente. Estes nanotubos chegam a ter uma resistência 600
vezes superior à do aço. (7)
De facto, a influência da robótica espacial na atualidade é inquestionável, que
conciliada com anos de estudo e pesquisa intensivos, tornam-na num importante meio
de acesso ao espaço. A aposta em missões interplanetárias com robôs em vez de
missões tripuladas, pelas segundas serem mais dispendiosas e complicadas, e o aumento
da autonomia e eficácia dos corpos robóticos, bem como a qualidade dos seus
resultados, têm elevado a robótica espacial a um patamar de excelência no que diz
Figura 7 – Gráfico de comparação entre os nanotubos
de carbono e outras ligas metálicas. (21)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 14
respeito à descoberta do que se esconde por detrás do cosmos. Trata-se pois de um meio
revolucionário e incrivelmente poderoso, que alterará permanentemente a humanidade,
devido ao potencial da robótica espacial.
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 15
5-Tipos, Características e Funções de Robôs
Espaciais
Na NASA a tecnologia robótica aborda varias áreas. Existem missões robóticas
de exploração (o Sojourner é um exemplo de robôs com esta finalidade), investigação
que tem como objetivo o desenvolvimento científico e existem também robôs
relacionados com o serviço em orbita (estações espaciais).
No entanto, existem dois tipos de robôs espaciais principais: o Remotely
Operated Vehicle (ROV) e o Remotely Manipulator System (RMS).
Um ROV pode ser qualquer nave espacial não tripulada que permanece em voo,
um robô que explora o terreno onde se movimenta, ou uma sonda que entra em contacto
com um corpo extraterrestre e opera a partir de uma posição estacionária.
Todavia, o tipo mais comum de diapositivo robótico é o RMS, que basicamente
consiste num robô que é um braço mecânico frequentemente utilizado na indústria.
Estes “braços mecânicos” tentam ao máximo imitar todas as funcionalidades de um
braço humano, nomeadamente os seus sete eixos de liberdade (três graus de liberdade
no ombro, um grau de liberdade no cotovelo e três graus de liberdade no punho),
conseguindo mesmo operar alguns movimentos que não são possíveis no ser humano
(movimento circular de 360º no punho, por exemplo). Estes robôs podem ser
programados de duas formas: através de programação de computador fazendo a
máquina operar uma função específica, ou com a ajuda de um humano que “ensina” ao
braço robótico as coordenadas (a partir do qual a maquina realiza os movimentos) e
outras tarefas.
Este sistema manipulador remoto na NASA (RMS) desempenha uma grande
variedade de tarefas como, por exemplo, servindo de garra, pertencendo a um
dispositivo de montagem remota ou mesmo como sistema de posicionamento e
dispositivo de ancoragem para os astronautas que trabalham no espaço. (9)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 16
Um robô também muito importante é o Lemur IIb (figura 8) que tem a
capacidade de resolver um série de tarefas básicas necessárias ao longo das missões
espaciais. Isto acontece porque o
LEMUR IIb é um robô com um alto
nível de flexibilidade operacional em
relação à massa e volume, o que
proporciona a este modelo um certo
nível de destreza, capacidade de
processamento e capacidade sensorial
para que possa desempenhar funções
como a montagem, inspeção e
manutenção de instalações permanentes
em robôs espaciais. Além disso, também
pode ser facilmente configurado tanto
fisicamente (devido à sua estrutura
relativamente simples) como através de algoritmos.
A estrutura física do sistema é constituída por seis membros de quatro graus de
liberdade axi-simétrica sobre a plataforma de corpo hexagonal. Estes membros possuem
ainda a capacidade de incorporar qualquer uma das suas ferramentas necessárias à
realização da tarefa a que foi destinado. O outro subsistema principal é um conjunto de
câmeras estéreo que viajam ao longo de uma pista de anel, permitindo visão em todas as
direções.
A plataforma LEMUR IIb não só desempenha a função para o qual foi
concebido como também representa o ponto de partida para duas plataformas robóticas
mais avançadas que irão contribuir para a exploração espacial pela parte da NASA. (10)
Figura 8- Lemur IIb (22)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 17
6-Exemplos de Robôs Espaciais
6.1-Robonaut2
6.1.1 Definição
O Robonaut 2 (Figura 9) é a última geração de robôs astronautas ajudantes e o
primeiro robô humanoide no espaço. Foi enviado para a estação espacial abordo da nave
discovery na missão STS-133 a 24 de fevereiro de 2011.É fruto de um projeto de 15
anos entre a NASA e
“General Moters”
que tem como
objetivo principal a
longo prazo a
construção de um
robô capaz de
exercer as funções de
um astronauta, tanto
dentro como fora da
estação, sozinho ou
em equipa com um
astronauta.
Este robô tem como principal função proporcionar o estudo do comportamento e
utilidade dos humanoides no espaço. No entanto, a partir de upgrades e avanços
tecnológicos instalados no Robonaut ao longo do tempo este já consegue desempenhar
variadas funções dentro da estação, desde a monotorização de sistemas até pequenas
reparações em sítios de difícil acesso para os astronautas. Espera-se que a curto prazo
este seja capaz de se aventurar fora da estação e ajudar os astronautas a efetuar
reparações e upgrades na estação.
Este robô astronauta é atualmente caracterizado por várias capacidades
funcionais tais como: reconhecimento visual de objetos, manipulação de uma extensa
variedade de objetos, segurar e agarrar objetos sólidos, trabalhar com as duas mãos em
Figura 9- Robonaut2 (23)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 18
simultâneo ou apenas recorrendo a uma, tendo ainda alguma variedade de velocidades
de movimento à
disposição,
pressionamento de
botões, segurar
firmemente um
equipamento de
medida por um longo
tempo, escrever um
conjunto de frases,
utilização de
linguagem gestual e
apertar a mão a um
humano. (Figura 10)
O Robonaut 2
tem ainda um
sistema de segurança que o impossibilita de infringir qualquer tipo de danos a um
humano enquanto trabalha com este.
6.1.2 Descobertas Tecnológicas
Este robô foi totalmente desenvolvido com base em novas descobertas
tecnológicas entre as quais: elasticidade das juntas de ligação, sobreposição das mãos no
mesmo espaço de trabalho, juntas controladoras capazes de alcançar uma velocidade
extremamente reduzida como uma velocidade bastante elevada e a sensibilidade nas
palmas das mãos e dos dedos.
A mão deste robô chega a alcançar a flexibilidade de uma mão humana e ao
mesmo tempo é capaz de carregar uma carga significativa, sendo essa carga de 20 kg
quando o braço do robô se encontra na posição horizontal.
6.1.3 Especificações
Robonaut 2 é um robô humanoide hábil, subtil e forte que consiste numa cabeça,
num tronco, dois membros superiores e duas mãos com cinco dedos cada. É feito
Figura 10 - Robonaut2 apertando a mão a um astronauta (24)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 19
principalmente de alumínio com algumas ligas de materiais metálicos e não metálicos e
pesa cerca de 140 Kg. Está equipado com um computador capaz de processar
informação de 350 sensores, 4 câmeras de alta resolução e um câmera de infravermelho.
Para além disto, possui 49 graus de mobilidade dos quais 14 são nos membros
superiores, 30 nas duas mãos com os 5 dedos, 3 no tronco e 2 da cabeça.
6.1.3.1 Pernas
As pernas do robô foram instaladas posteriormente e já quando este se
encontrava funcional na estação espacial internacional. Não são pernas comuns, pois tal
como os astronautas não utilizam as pernas de uma forma convencional o Robonaut 2
também não o faz. As pernas são um meio para definir a posição do robô enquanto se
movimenta e trabalha na estação.
6.1.4Sistema de controlo
O Sistema de controlo está dividido em diferentes blocos que são responsáveis
pela: monitorização global de todas as operações, conexão remota e imediata
comunicação áudio-visual com o robô, controlo direto do robô para tarefas específicas,
visualização e simulação da performance do robô.
Resumindo o sistema de controlo suporta dois modos básicos: um modo
autónomo e um modo remoto.
6.1.4.1Modo Automático
O modo automático é o principal modo de controlo deste robô, ou seja, as ações
do robô são supervisionadas e designadas por um controlador humano
Assim, o robô ao reconhecer objetos irá realizar operações anteriormente
programadas automaticamente. Este modo é utilizado em tarefas bem definidas em que
é também utilizado o algoritmo PID (Positional-Integral-Derivative). A partir deste
algoritmo é possível controlar a velocidade do movimento, a sua rigidez e as distâncias
do movimento e por isto a dinâmica de comportamento do braço do Robonaut e similar
à de um braço humano.
O modo automático providencia o controlo necessário para a realização
de tarefas que exijam mais ou menos sensibilidade. Contudo, os controlos gerais são
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 20
limitados permitindo assim uma proximidade segura entre o robô e a pessoa que
trabalha ao lado dele. Os movimentos deste podem ser parados rápida e
automaticamente em situação de emergência garantindo assim uma maior segurança.
Este modo permite assim uma maior eficácia e segurança para o trabalho
deste robô.
6.1.4.2Modo Remoto
No modo remoto, o operador humano tem total controlo sobre o sistema do
Robonaut. O método de controlo usado é o do “mestre-escravo”, ou seja, o robô repete e
segue os movimentos do operador. Os meios usados para a implementação deste
sistema são um capacete de monotorização- Helmet Mounted Displays HMD – uma
power glove e um aparelho de feedback tátil que monitoriza a postura e os movimentos
do operador. Usando estas tecnologias o operador tem presente a posição do robô e do
ambiente que o rodeia. Tem também acesso a um feedback visual dado pelas câmeras
de alta definição implementadas na cabeça deste robô. A tecnologia de controlo remoto
permite utilizar as capacidades inteligentes do operador para resolver tarefas mais
complexas, casos em que o robô não tem uma correta formalização das condições de um
determinado problema, situações de emergência e erro.
A relação entre o operador e o robot é feita por uma interface chamada
Application Programmer’s Interface (API). Esta unidade providencia mais de 100
vetores dimensionais sensoriais e motores, agrupados segundo forças e momentos dos
membros superiores, das mãos, dos dedos e uma informação sensorial das palmas das
mãos.
6.1.5 Testes no espaço
O principal trabalho do Robonaut neste momento assenta da monotorização do
sistema de ventilação da estação. Esta tarefa sendo vital para o funcionamento da
estação espacial é, no entanto, complicada para que um astronauta a possa fazer sem
cometer erros, isto devido ao facto de ser preciso segurar um manómetro específico por
um período longo de tempo em que os astronautas não se podem mexer, o que se
percebe ser uma tarefa quase impossível devido á inexistência de gravidade e ainda ao
facto de a respiração junto do aparelho de medição poder comprometer os dados. É
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 21
também necessário substituir os filtros de ar tarefa o que o robô faz automaticamente.
Na chegada a estação espacial o Robonaut 2 foi sujeito a uma variedade de
testes: movimentar os braços, pulsos e mãos; apertar a mão ao comandante da tripulação
da estação e comunicar por gestos; mudar de teclas e pressionar botões; e segurar um
instrumento de medida continuamente na mesma posição por um longo período de
tempo. (11)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 22
6.2-Mars Global Surveyor
6.2.1 Definição
O Mars Global Surveyor é uma sonda que foi projetada para circular na orbita
polar (que viaja sobre o Pólo Norte ao Pólo Sul e de volta ao Pólo Norte) doze vezes por
dia, recolhendo fotos instantâneas a uma altitude de 400 km da superfície marciana.
6.2.2Características e Funções
Este robô recolhe dados científicos relacionados com padrões climáticos,
características geológicas e migração de vapor de água de hemisfério para hemisfério ao
longo do ano. Além disso, a sua tecnologia também permitiu obter as primeiras
exibições a 3D da topografia de Marte. O Mars Global Surveyor possui um conjunto de
instrumentos científicos que incluem uma câmera de alta resolução e um detetor
mineral, que ajudaram os engenheiros e cientistas a selecionar locais de pouso seguros,
e ricos em vários minerais como a hematita (que é um mineral geralmente formado em
água liquida) com a finalidade de compreender a história de água em Marte.
6.2.3 Missão
Devido à longevidade da nave, foi possível desenvolver uma compreensão sem
precedentes de como a paisagem marciana e estações foram mudando ao longo do
Figura 11- constituição do Mars Global Surveyor (25)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 23
tempo.
Apesar de inicialmente ser esperado que a nave ficasse sem combustível em
Abril de 2003, o que desligaria pequenos propulsores que mantêm a precisão do sistema
de recolha de dados, em Agosto de 2001 (5 anos depois do lançamento da nave
aproximadamente) a equipa do Mars Global Surveyor implementou uma inteligente
estratégia de “gestão do momento angular”, o que minimizou a necessidade desses
propulsores para ajudar a estabilizar a nave espacial e mantê-lo no alvo durante a
visualização das áreas na superfície de Marte, reduzindo assim o uso de combustível em
800% numa base diária. (12)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 24
6.3-Mars Curiosity Rover
6.3.1Definição
A missão da NASA intitulada “Mars science laboratory “ colocou no solo de
Marte um grande laboratório móbil - O rover curiosity – que aterrou na cratera de Gale
a 6 de agosto de 2012. A aterragem neste local, considerado um dos mais intrigantes de
Marte, só foi possível devido ao uso de uma tecnologia de precisão. Nos primeiros oito
meses de uma missão com uma duração prevista de dois anos, o curiosity tinha como
objetivo descobrir evidências de um ambiente passado capaz de albergar vida
microscópica. Para tal este robô estuda a geologia e o ambiente de áreas específicas da
cratera e analisa amostras de furos e escavações de rochas do solo feitas por ele.
Este rover está equipado com os mais avançados equipamentos científicos
alguma vez utilizados em Marte.
6.3.2Aterragem e Primeiras Missões
Este robô foi
transportado ate ao seu
destino numa nave que se
orientava sozinha durante
a descida pela atmosfera
de Marte com manobras
descritas em forma de S,
similares as usadas pelos
pilotos das space
shuttles. Nos três
minutos finais antes de
tocar no solo, a nave desceu lentamente com o auxílio de um paraquedas e de
retrorockets montados no anel situado no estrado de cima da nave. Nos segundos finais
da aterragem, o estrado de cima atuou como um sky crane, ou seja com recurso a
corrente baixou lentamente o rover até que as suas rodas atingissem o solo (Figura 12).
Foi este processo preciso de aterragem que permitiu ao rover pisar o solo de Marte pela
primeira vez num local de difícil aterragem: o monte Sharp situado na cratera de Gale.
No entanto, mesmo antes da chegada a Marte o Curiosity já permitia novas
Figura 12- Aterragem do Curiosity em Marte (26)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 25
Figura 13 –Sojouner (a frente), Spirit (á
esquerda) e Curiosity (á direita). (27)
descobertas aos cientistas: os dados de radiação natural recolhidos durante a viagem da
Terra a Marte permitiam um melhor planeamento da segurança dos astronautas numa
possível futura missão a Marte.
Nas primeiras semanas após a aterragem, Curiosity mostrava imagens de
conglomerados de rochas com areia e seixos perto do local de aterragem, o que provava
estar numa aérea onde há muito tempo atrás teria existido água à superfície.
Nos meses iniciais da missão, a equipa responsável pelo rover conduziu-o até
uma zona de interesse chamada “Glenelg”, onde três tipos de terreno se intersetavam.
No caminho até esse ponto, o rover analisou os seus primeiros pedaços de terra, e já em
Glenelg estudou as primeiras rochas alguma vez perfuradas em Marte. As análises da
primeira perfuração realizada a uma rocha específica chamada “Jonh Klein”
providenciaram evidências de que realmente já teriam existido condições para a
existência de vida em Marte. Por exemplo, descobriram-se características geológicas e
mineralógicas que provam a existência de água nem muito acida nem muito salgada, o
que é uma fonte de energia química e outros ingredientes essências á vida.
Em julho de 2013, o Curiosity terminou as investigações na aérea de Glenelg e
começou uma longa travessia até às camadas mais baixas do monte Sharp onde se
encontra atualmente a realizar perfurações e análises para que se possa perceber como é
que a atmosfera de Marte se tornou tão seca.
6.3.3Especificações
O curiosity é quase duas vezes maior e cinco vezes mais pesado do que os
gémeos spirit e opportunity, que foram enviados para Marte em 2003 (Figura 13). No
entanto, tem alguns elementos
idênticos a estes nomeadamente: um
sistema de condução de seis rodas, um
sistema de suspensão rocker-bogi e
câmeras montadas num mastro para
ajudar a equipa de missão a definir
alvos para exploração e rotas para os
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 26
destinos. Ao contrário dos rovers anteriores o Curiosity possui equipamento para
recolher e processar amostras de rochas e solo, distribuindo estas por câmeras de teste e
instrumentos de análise instalados no rover.
O laboratório da NASA de propulsão concebeu o rover para que este pudesse
ultrapassar obstáculos até 65 centímetros e percorrer um total de 200 metros por dia
marciano.
A fonte de energia deste robô foi desenhada pelo departamento de energia dos
E.U.A. e é basicamente um gerador de energia de radioisótopos. Este produz energia a
partir do decaimento do plutónio 238 o que dá um tempo de operacionalidade de um
ano Marciano (687 dias) ou mais. No início da missão este produziu cerca de 110 watts
de potência para operar os instrumentos do rover, o braço robótico, as rodas, os
computadores e o rádio. No entanto, o total de energia produzida ao longo da missão vai
diminuindo, não comprometendo, todavia, o funcionamento deste robô.
A comunicação com a Terra é feita através de retransmissores situados nos
orbiters (pequenos satélites de reconhecimento) de Marte, que enviam a informação
para as antenas do Deep Space Network’s. Apenas no primeiro ano foram descarregados
190 gigabytes de informação enviados pelo curiosity.
6.3.4Instrumentalização
Em 2004, a NASA solicitou propostas de instrumentos específicos para serem
instalados no Curiosity (Figura 14).
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 27
Figura 14: Instrumentos Curiosity. (28)
A agência selecionou oito propostas, ainda nesse ano, e chegou a um acordo com
a Rússia e a Espanha para utilizar instrumentos providenciados por essas nações,
nomeadamente:
- o“Sample Analysis at Mars” cujo principal objetivo é analisar amostra de
materiais recolhidos pelo braço robótico do rover. Este instrumento é ainda capaz de
analisar amostras atmosféricas e esta equipada com um crometógrafo de gás, um
espectrómetro de massa e um espectrómetro de laser ajustável com capacidades de
identificar uma extensa variedade de compostos com presença de carbono e de
determinar diferentes isótopos de elementos chave. Estes isótopos são pistas para
perceber a história da atmosfera de Marte.
-Um raio-x de difração e florescente chamado “CheMin” que também examina
amostras recolhidas pelo braço robótico. Está desenhado para identificar e quantificar os
minerais presentes em rochas e
no solo e para medir a composição
granulométrica.
-o “Mars Hand Lens Imager”, que se encontra montado no braço robótico e tira
fotografias extremamente próximas de rochas do solo e, se presente do gelo. Estas
fotografias são capazes de revelar detalhes mais pequenos do que um cabelo humano e
de focar objetos que o braço não consegue alcançar. Este aparelho é ainda famoso pelos
autorretratos tirados ao curiosity.
- o “Alpha particle X-ray Spectormeter”,que está também instalado no braço, e
determina a abundância relativa de diferentes elementos nas rochas e no solo.
- a “Mast Camera”, que está montada à altura de um olho humano, é o principal
guia para o movimento do rover. Esta consegue captar e guardar imagens de alta
resolução, para além de algumas sequências de vídeo. Pode ser também utilizada para
ver os materiais recolhidos e tratados pelo braço robótico.
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 28
-o “ ChemCam”, que usa pulsos
laser para vaporizar camadas finas
rochas e solo de Marte a uma distância máxima de 7 metros. Este instrumento inclui um
espectrómetro para identificar os vários tipos de átomos libertados na vaporização,
assim como possui uma espécie de telescópio que funciona como uma câmera que
captura imagens detalhadas da zona iluminada pelo feixe do laser. O laser e o telescópio
estão ambos instalados no mastro do robô e juntamente com a “Mast Camera” tem a
função de informar os investigadores quais os melhores objetos para submeter a análise
com recurso a outros instrumentos.
- o “ Radiation Assessement Detetor” é responsável por caracterizar a radiação
existente na superfície de Marte. Esta informação irá contribuir para o planeamento de
uma possível missão que leve o Homem a Marte. Para além disso, dá informação sobre
a capacidade para suportar vida deste planeta.
- o “Mars Descent Imager” que nos dois minutos anteriores à aterragem em
Marte, capturou imagens com cor e vídeo em alta definição da região da aterragem para
que os investigadores tivessem uma visão geral do contexto geológico da região.Este
aparelho também forneceu informações preciosas para uma aterragem mais precisa.
Atualmente é também utilizado para capturar imagens da superfície de Marte á medida
que o rover a explora.
- o “Rover Environmental Monitoring Station” , de nacionalidade espanhola,
mede a pressão atmosférica, a temperatura, a humidade, os ventos e ainda os níveis de
radiação ultra-violeta.
- o “Dynamic Albedo of Neutrons”, desta vez russo, mede os níveis de
hidrogénio até a um metro abaixo da superfície marciana. Este instrumento é muito
importante pois a presença de hidrogénio pode indicar também a presença de água.
Para além de todos instrumentos científicos é ainda de salientar alguns
instrumentos da infraestrutura deste robô. Tal como nos seus antecessores, o Curiosity
possui uma câmera de navegação no seu mastro e uma camera rebaixada de detecção de
perigo. A camera de navegação é também utilizada para identificar objetos alvos da
ação de outros instrumentos e ainda para observar o céu em busca de nuvens e poeira.
Também é importante não desprezar o equipamento de recolha e preparação de
amostras que inclui ferramentas para: a remoção de poeira, a escavação do solo, a
Figura 15- Curiosity a usar o laser (29)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 29
perfuração de rochas e recolha dessas amostras, a separação de amostras e a entrega
dessas mesmas amostras aos instrumentos, onde serão analisadas.
Todos estes equipamentos e estruturas, juntamente com as descobertas que já
realizou, permitem afirmar que o Curiosity é o rover mais bem concebido de toda a
história da exploração espacial. (13)
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 30
7-Conclusão
A robótica, devido a intensos anos de estudo, conciliados a um desenvolvimento
científico e tecnológico, alterou definitivamente o estilo de vida da humanidade. Se por
um lado permitiu o aumento da qualidade de vida da sociedade, a robótica permitiu
ainda o desempenho de funções nas mais diversas áreas, que dificilmente seriam
executadas pelos humanos ou, pelo menos, com a mesma eficiência. Embora já muito se
tenha alterado no quotidiano de cada habitante do planeta, a robótica continuará a
apostar no seu desenvolvimento, o que culminará numa alteração constante no
quotidiano da sociedade.
Em particular, pode-se considerar a robótica espacial como um campo
tecnológico de grande relevância na descoberta do universo. Contando já com várias
décadas de desenvolvimento, a robótica espacial aposta essencialmente na descoberta de
novos materiais, com o objetivo de produzir novos corpos robóticos, para que possam
viajar até ao espaço e aí desempenhar a função para o qual foram concebidos.
Os contributos da robótica espacial são inquestionáveis, desde o conhecimento
adquirido acerca do universo, até simples questões do dia-a-dia, como sondas que
permitem realizar as previsões meteorológicos ou visualizar televisão. A robótica
espacial tem um passado recheado de progressos, um presente, fruto do avanço
tecnológico feito até então, e um futuro bastante promissor. Cabe a cada cidadão
manter-se informado acerca dos progressos não só da robótica espacial, mas da
tecnologia e da ciência em geral, para que possa intervir ativamente nesse progresso e,
se necessário, criticar construtivamente o avanço tecnológico.
Relativamente aos objetivos da unidade curricular Projeto Feup, pode-se afirmar
que foram todos cumpridos com sucesso. Se por um lado se aprendeu a realizar
corretamente um relatório, um poster, uma apresentação oral em power point e uma
exposição oral, durante a primeira semana de Projeto Feup e também durante as aulas
que foram ocorrendo, também é de evidenciar o espírito de equipa que se criou entre os
vários grupos formados e os laços de amizade que se foram criando, resultando tudo
numa integração rápida, correta e eficaz num novo contexto escolar.
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 31
Referências Bibliográficas
Texto
Introdução
(1) Alfaro, Adek C. Absi. Julho de 2006 Acedido a 5 de Outubro de 2014.
http://www.sbpcnet.org.br/livro/58ra/atividades/TEXTOS/texto_884.html
(2) The Tech Museum of Innovation. Acedido a 5 de Outubro de 2014
http://www.thetech.org/exhibits/online/robotics/activities/page02.html
A Robótica Espacial
(3) Hooper, Rich. Acedido a 15 de Outubro de 2014.
http://www.learnaboutrobots.com/space.htm
O Passado da Robótica Espacial
(4) Souza, J.A.M. Felippe. Acedido a 12 de Outubro de 2014.
http://webx.ubi.pt/~felippe/texts5/robotica_cap6.pdf
(5) Wethington, Nicholos. 2 de Novembro de 2009. Acedido a 12 de Outubro de
2014. http://www.universetoday.com/43750/robots-in-space/
Robótica Espacial na Atualidade
(6) Paiva, Maria da Conceição. Acedido a 10 de Outubro de 2014.
http://www.dep.uminho.pt/mcpaiva/pdfs/PED/0607F01.pdf
(7) Laboratório de Sistemas Inteligentes. Acedido a 10 de Outubro de 2014
http://www.sel.eesc.usp.br/lasi/Espacial/Espacial
(8) Super Interessante. Março de 2012. Acedido a 10 de Outubro de 2014. http://www.superinteressante.pt/index.php?option=com_content&view=article&id=1403:a-nova-era-espacial&catid=28:artigos&Itemid=120
Tipos, Características e Funções de Robôs Espaciais
(9) Smith, Stephanie, Bob Shelton. 4 de Março de 2003. Acedido a 13 de Outubro
de 2014 http://prime.jsc.nasa.gov/ROV/types.html
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 32
(10) Volpe, Richard. Kristy Kawasaki. Acedido a 13 de Outubro de 2014
http://www-robotics.jpl.nasa.gov/systems/system.cfm?System=5
Exemplos de Robôs Espaciais
Robonaut2
(11) Wright, Jerry. Brian Dunbar. 27 de Agosto de 2014. Acedido a 10 de
Outubro de 2014
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/robonaut.html#.VEBjPSLF_k
U
Mars Global Surveyor
(12) NASA. Acedido a 13 de Outubro de 2014.
http://mars.jpl.nasa.gov/mgs/people/
Mars Curiosity Rover
(13) NASA. Acedido a 15 de Outubro de 2014 http://mars.jpl.nasa.gov/msl/
Figuras:
Imagem de Capa:
(14) http://hdimages.mobi/curiosity-on-the-mars/
Figura 1:
(15) http://s2.glbimg.com/1HwpTbgCKNovZ7YeUivUgzAczMs=/s.glbimg.c
om/jo/g1/f/original/2013/10/23/robouea300.jpg
Figura 2
(16) http://www.engenhariae.com.br/wp-
content/uploads/2013/02/imagem1.jpg
Figura 3:
(17) http://axisvega.files.wordpress.com/2009/07/sputnik1-1.jpg
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 33
Figura 4:
(18) http://www.scielo.br/img/revistas/rsocp/v19s1/07g02.jpg
Figura 5:
(19) http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_entry#mediaviewer/File:Entry.
jpg
Figura 6:
(20) http://www.ingeniosolido.com/blog/wp-
content/uploads/2011/03/transitores_nanotubos_de_carbono.jpg
Figura 7:
(21) http://science.nasa.gov/media/medialibrary/2002/09/10/16sep_rightstuff_
resources/comparison.jpg
Figura 8:
(22) https://www-robotics.jpl.nasa.gov/roboticImages/img811-98-hires.jpg
Figura 9:
(23) http://www.nasa.gov/images/content/421727main_jsc20093155300.jpg
Figura 10:
(24) http://www.gercekbilim.com/wp-content/uploads/2012/09/nasa-
robot1.jpg (fig8)
Figura 11:
(25) http://tes.asu.edu/TESNEWS/5_VOL/No_1/diagrams.html
Figura 12:
(26) http://hdimages.mobi/curiosity-on-the-mars/
Figura 13:
(27) http://d1jqu7g1y74ds1.cloudfront.net/wp-
content/uploads/2012/01/PIA15278_3rovers-lo_D2011_1215_D515_br2.jpg
Figura 14:
(28) http://regmedia.co.uk/2012/08/07/curiosity_nasa.jpg
Figura 15:
(29) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fa/Martian_rover_Cur
iosity_using_ChemCam_Msl20111115_PIA14760_MSL_PIcture-3-br2.jpg
Robôs No Espaço MIEM
Projeto FEUP Equipa: 1M07_02 34