Desenvolvimento de Um Braço Robótico de Quatro Graus de Liberdade

UNI NIVER VER SIDADE FEDER AL DO ACR E CE NT NTRO RO DE CIÊNCIAS EXATAS E TEC NOLÓ NOLÓGICAS GICAS CURS CU RS O DE DE B ACHARE LADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

DESENVOLVIMENTO DESENVOLVIMENTO DE UM BRAÇO ROBÓTICO MÍMICO DE QUATRO GRAUS DE LIBERDADE Uendel Diego da Silva Alves

Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez Mamani Mamani

RIO BRANCO – ACRE 2015

UNI NIVER VER SIDADE FEDER AL DO ACR E CE NT NTRO RO DE CIÊNCIAS EXATAS E TEC NOLÓ NOLÓGICAS GICAS CURS CU RS O DE DE B ACHARE LADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

DESENVOLVIMENTO DE UM BRAÇO ROBÓTICO MÍMICO DE QUATRO GRAUS DE LIBERDADE

Uendel Diego da Silva Alves Orientadora: Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez Mamani

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.

Banca Examinadora: Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez Mamani Prof. Dr. Anselmo Fortunato Ruiz Rodriguez Prof. Dr. Roger Fredy Larico Chavez

Rio Branco  – AC 2015

Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Central da UFAC

 A474d

 Alves, Uendel Uendel Diego da Silva, Silva, 1987Desenvolvimento de um braço robótico mímico de quatro graus de liberdade / Uendel Diego da Silva.  – 2015. 115 f. : il. ; 30 cm. TCC (Graduação)  –  Universidade Federal do Acre, Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica. Rio Branco, 2015. Inclui referências bibliográficas. Orientadora: Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez Mamani. 1. Arduino (controlador programável). 2. Robótica. 3. Cinemática. I. Título. CDD: 629.895

Bibliotecária: Vivyanne Ribeiro das Mercês Neves CRB-11/600

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COMISSÃO JULGADORA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Autor: Uendel Diego da Silva Alves

Data de Defesa: 18 de Setembro de 2015

Título do Trabalho:  DESENVOLVIMENTO DE UM BRAÇO ROBÓTICO MÍMICO DE QUATRO GRAUS DE LIBERDADE

 ______________________________________________ Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez Manani (Presidente) CCET/UFAC

 _________________________________________________ Prof. Dr. Anselmo Fortunato Ruiz Rodriguez Bionorte/UFAC

 ______________________________________________ Prof. Dr. Roger Fredy Larico Chavez CCET/UFAC iii

 À minha filha Maraisa Maria. iv

AGRADECIMENTOS  A Deus, pelas oportunidades que me foram concedidas e pela saúde que me possibilitou percorrer este caminho.  Aos meus pais, por terem me amparado material e financeiramente durante todos estes anos de vida.  A minha esposa Marijara M. Maciel pelo companheirismo, suporte emocional e por ter dado à luz a minha fonte de motivação e força diárias na busca por um futuro melhor: minha filha Maraisa Maria.  Aos meus amigos Thiago M. de Lima e Vanderson N. Barros que nunca se omitiram no apoio, conselho e horas de estudos que por diversas vezes romperam madrugadas.  Aos meus amigos Andrei O. M. Porfiro e Ronaldo F. R. Pereira por terem bravamente liderado esta verdadeira expedição acadêmica em busca do conhecimento. Me sinto honrado de fazer parte desta turma.  A Universidade Federal do Acre pela oportunidade que me foi dada.  A coordenação do Curso de Engenharia Elétrica que sempre demonstrou empenho e dedicação em fornecer aos alunos as condições suficientes no que tange à vida acadêmica.  Aos professores que já se faziam presentes nesta instituição quando do início do curso, e aos que vieram posteriormente de outros estados ou país, pelo conhecimento transmitido, credibilidade e dedicação concedida ao curso de Engenharia Elétrica da UFAC, em especial a minha orientadora, Professora Dra. Ana Beatriz. A. Mamani por sua contribuição em meu trabalho e ao Professor Dr. Omar A. C. Vilcanqui pelas ideias e apontamentos que, sem dúvidas, foram de suma importância.

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RESUMO O presente trabalho tem por finalidade o desenvolvimento de um braço robótico de quatro graus de liberdade que imita os movimentos realizados por outro braço articulado. Para isto, o trabalho compreende a modelagem do sistema para análise da estrutura, simulação do modelo em ambiente computacional e finalmente o seu desenvolvimento experimental. Para análise dos movimentos do braço, é realizada a modelagem por meio da cinemática direta pelo uso da metodologia de Denavit-Hartenberg, ferramenta utilizada para sistematizar a descrição cinemática de sistemas mecânicos articulados com n graus de liberdade. Após a modelagem, os valores obtidos pela cinemática direta desenvolvida são comparados aos resultados provenientes de simulação em ambiente Simulink® Matlab®. Para construção do protótipo foram utilizados componentes como placa de prototipagem eletrônica de código aberto Arduino™,

sensor MPU-6050™ (giroscópio de três eixos + acelerômetro de três eixos), servomotores e elementos estruturais produzidos em material acrílico e MDF  (Medium-Density Fiberboard  - placa de madeira de densidade média) projetados com o auxílio da ferramenta AutoCAD® 2013. Dentre as aplicações possíveis deste protótipo, é possível destacar o uso para a inspeção de artefatos explosivos e materiais nocivos à saúde e integridade física das pessoas.  Ao final do trabalho são discutidos os resultados da simulação computacional e demonstração da operação do braço robótico desenvolvido em bancada experimental.

Palavras-chave: Arduino™; Braço rob ótico; Cinemática Direta; Denavit-Hartenberg; Robótica Mímica.

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ABSTRACT The present work aims to develop a robotic arm of four degrees of freedom that mimics the movements performed by another articulated arm. For this, the work includes the system modeling for the structure analysis, model simulation in computing environment and its experimental development. For the analysis of arm movements, it is performed the modeling through forward kinematics by using the Denavit-Hartenberg methodology, tool used to organize the kinematic description of articulated mechanical systems with n degrees of freedom. After that, the values obtained by forward kinematics developed are compared to the results from simulation in Matlab® Simulink® environment. For the construction of the prototype were used components such as open source electronic prototyping board Arduino ™, MPU-6050™ sensor (three-axis gyroscope + three-axis accelerometer), servomotors and structural elements produced in acrylic and MDF (Medium-Density Fiberboard) designed with the help of the AutoCAD® 2013. Among the possible applications of this prototype, it can highlight the use for inspection of explosive devices and harmful materials to health and physical integrity of persons.  At the end of the work are discusses the results of the computational simulation and demonstration of the robot arm operation developed in experimental bench. Keywords: Arduino™; Robotic Arm; Forward Kinematics; Denavit-Hartenberg;

Mimicking Robotics.

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LISTA DE FIGURAS Figura 1.1  – Sistema robótico da Vinci® Surgical System.................................................... 19 Figura 1.2  – Detalhe do console do da Vinci® Surgical System........................................... 19 Figura 1.3  – Robô militar Dragon Runner ® .......................................................................... 20 Figura 1.4  – Robô militar TALON ® ...................................................................................... 20 Figura 1.5  – Tactical Robot Controller  - TRC ....................................................................... 21 Figura 1.6  – Correlação entre braços humano e robótico proposto por Serrano et al. (2010) ............................................................................................................................................ 22 Figura 2.1  – Braço robótico comparado ao braço humano ................................................... 28 Figura 2.2  – Esquema de notação de elos e juntas em um braço robótico ilustrativo ........... 28 Figura 2.3  – Esquema representativo de braços articulados com 1 GL e 2 GL .................... 29 Figura 2.4  – Tipos de vínculos ou juntas empregadas em robôs.......................................... 30 Figura 2.5  – Representação esquemática das juntas........................................................... 31 Figura 2.6  – Representação tridimensional de um robô cartesiano PPP (3GL) .................... 33 Figura 2.7  – Volume de trabalho de um robô cartesiano de três graus de liberdade ............ 33 Figura 2.8 – Representação tridimensional de um robô de coordenadas cilíndricas RPP (3 GL) ............................................................................................................................................ 34 Figura 2.9  –  Volume de trabalho de um robô de coordenadas cilíndricas de três graus de liberdade.............................................................................................................................. 34 Figura 2.10 – Representação tridimensional de um robô articulado RRR (3 GL) ................. 35 Figura 2.11 – Áreas de trabalho de um robô articulado RRR de três graus de liberdade ..... 36 Figura 2.12 – Representação tridimensional de um robô de coordenadas esféricas RRP (3 GL) ............................................................................................................................................ 37 Figura 2.13  –  Volume de trabalho de um robô de coordenadas esféricas de 3 graus de liberdade.............................................................................................................................. 37 Figura 2.14 – Representação tridimensional de um robô SCARA (RRP) de 3 GL................ 38 Figura 2.15 – Volume de trabalho de um robô SCARA de 3 graus de liberdade .................. 38 Figura 2.16 – Configuração de um punho RT na forma compacta ............... ........................ 39 Figura 2.17 – Configuração de um punho TRT na forma compacta ..................................... 39 Figura 2.18 – Definição dos ângulos de orientação roll, pitch e yaw ( ϕ, θ, Ψ) ...................... 40 Figura 2.19 – Garras de dois dedos (formas de movimentação) .......................................... 41 Figura 2.20 – Garra de três dedos ....................................................................................... 42 Figura 2.21 – Garra para preensão de objetos cilíndricos .................................................... 43 Figura 2.22 – Modelo de garra articulada ............................................................................. 43 Figura 2.23 – Sistema de referência utilizado ...................................................................... 45

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Figura 2.24 – Representação de um sistema de coordenadas de um robô (θ 1, θ2, θ3) ......... 47 Figura 2.25  –  Notação de Denavit-Hartenberg (geometria e parâmetros de juntas rotativas) ............................................................................................................................................ 49 Figura 2.26 – Algoritmo resumido de Denavit-Hartenberg.................................................... 54 Figura 3.1  – Alocação de frames intermediários {P}, {Q} e {R}............................................. 57 Figura 3.2  – Representação por imagem computacional do braço robótico ......................... 59 Figura 3.3  – Representação dos quatro eixos de revolução do braço robótico ...... .............. 60 Figura 3.4  – Representação dos eixos de revolução e extração dos frames de coordenadas (dimensões em milímetros) .................................................................................................. 60 Figura 3.5  –  Detalhe dos eixos coordenados e alocação dos frames  (dimensões em milímetros) ........................................................................................................................... 61 Figura 3.6  –  Comandos para a elaboração em ambiente Matlab® do braço robótico com auxílio da ferramenta Robotics Toolbox ............................................................................... 66 Figura 4.1  – Imagem ilustrando alguns prod utos Arduino™: (a) Arduino™ Uno; (b) Arduino™ Mega; (c) Arduino™ Micro; (d) Arduino™ Nano; (e) Arduino™ Lilypad  ................................ 70

Figura 4.2  – Vista frontal de uma placa Arduino™ Uno ........................................................ 70 Figura 4.3  – Especificações técnicas da placa Arduino™ Uno . ............................................ 72 Figura 4.4  – Exemplos dos componentes de um servomotor ............................................... 74 Figura 4.5  – Exemplo de pulsos de controle de um servomotor ........................................... 76 Figura 4.6  – Servomotores: (a) Tower Pro™ SG90; (b) TowerPro™ SG -5010 ..................... 77 Figura 4.7  – Especificações técnicas dos servomotores utilizados ...................................... 77 Figura 4.8  – Placa GY-525 composta pelo sensor InvenSense® MPU- 6050™ .................... 79 Figura 4.9  – Diagrama de blocos do MPU- 6050™ ............................................................... 79 Figura 4.10 – (a) Braço robótico atuador; (b) Braço articulado controlador .......................... 81 Figura 4.11 – Esquema de ligação elétrica dos componentes no software Fritzing .............. 82 Figura 4.12 – Ângulos de operação do braço robótico ......................................................... 83 Figura 4.13 – Região de operação do braço robótico........................................................... 83 Figura 5.1  –  Comandos para a elaboração da cinemática direta no Matlab®: valores dos ângulos de juntas θ 1 = θ2 = θ3 = θ4 = 0 (destaque) ............................................................... 85

Figura 5.2  – Resultados da cinemática direta no Matlab® para ângulos θ 1 = θ 2 = θ 3 = θ 4 = 0 ............................................................................................................................................ 86 Figura 5.3 – Simulação gráfica do braço robótico para valores de θ 1 = θ2 = θ3 = θ4 = 0 (valores em milímetros) ..................................................................................................................... 87 Figura 5.4  –  Comandos para a elaboração da cinemática direta no Matlab®: valores dos ângulos de juntas θ 1 = θ3 = 90º e θ 2 = θ4 = -90 (destaque) ................................................... 88

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Figura 5.5 – Resultados da cinemática direta no Matlab® para ângulos θ 1 = θ3 = 90º e θ 2 = θ4 = -90 .................................................................................................................................... 89 Figura 5.6  – Simulação gráfica do braço robótico para valores de θ 1 = θ3 = 90º e θ 2 = θ4 = -90 (valores em milímetros) ....................................................................................................... 89 Figura 5.7  –  Comandos para a elaboração da cinemática direta no Matlab®: valores dos ângulos de juntas θ 1 = 180º, θ 2 = -60º, θ3 = -45 e θ4 = 30º (destaque) .................................. 91

Figura 5.8 – Resultados da cinemática direta no Matlab® para ângulos θ 1 = 180º, θ2 = -60º, θ3 = -45 e θ4 = 30º .................................................................................................................... 91 Figura 5.9 – Simulação gráfica do braço robótico para valores de θ 1 = 180º, θ 2 = -60º, θ3 = -45 e θ 4 = 30º (valores em milímetros) ....................................................................................... 92

Figura 5.10 – Modelo geral do braço robótico em ambiente Simulink® ................................ 93 Figura 5.11 – Modelo Simulink® do bloco Base Rígida........................................................ 94 Figura 5.12 – Modelo Simulink® do bloco Base Giratória .................................................... 94 Figura 5.13 – Modelo Simulink® do bloco Braço.................................................................. 94 Figura 5.14 – Modelo Simulink® do bloco  Antebraço........................................................... 95 Figura 5.15 – Modelo Simulink® do bloco Garra1 ................................................................ 95 Figura 5.16 – Movimentos simulados no Simulink® (1)........................................................ 96 Figura 5.17 – Movimentos simulados no Simulink® (2)........................................................ 96 Figura 5.18 – Movimentos simulados no Simulink® (3)........................................................ 97 Figura 5.19 – Movimentos simulados no Simulink® (4)........................................................ 97 Figura 5.20 – Correlação entre braço robótico atuador e braço controlador (1) ....... ............ 98 Figura 5.21 – Correlação entre braço robótico atuador e braço controlador (2) ....... ............ 99 Figura 5.22 – Correlação entre braço robótico atuador e braço controlador (3) ....... ............ 99 Figura 5.23 – Correlação entre braço robótico atuador e braço controlador (4). ...... .......... 100

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CAD

Computer Aided Design

Desenho Auxiliado por Computador

CAM

Computer Aided Manufacturing

Manufatura Auxiliada por Computador

CC

Corrente Contínua

D-H

Denavit-Hartenberg

DMP

Digital Motion Processor

Processador de Movimento Digital

DOF

Degree of Freedom

Grau de Liberdade

GL

Grau de Liberdade

IDE

Integrated Development Environment

 Ambiente de Desenvolvimento Integrado

I²C

Inter-Integrated Circuit

Circuito Inter-Integrado

LED

Light Emitting Diode

Diodo Emissor de Luz

MDF

Medium-Density Fiberboard

Placa de Madeira de Densidade Média

MEMS

MicroElectroMechanical Systems

Sistemas Micro-Elétrico-Mecânicos

PPP

Prismática-Prismática-Prismática

PWM

Pulse Width Modulation

RPP

Revolução-Prismática-Prismática

RRP

Revolução-Revolução-Prismática

RRR

Revolução-Revolução-Revolução

RT

Rotacional-Torcional

R.U.R.

Rossum’s Universal Robots

Modulação por Largura de Pulso

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Robôs Universais de Rossum

SCARA

Selective Compliance Assembly Robot Arm

Braço de Robô com Montagem Seletiva Obediente

SRI

Stanford Research Institute

Instituto de Pesquisa Standford

TRT

Torcional-Rotacional-Torcional

TRC

Tactical Robot Controller

Controlador de Robô Tático

USB

Universal Serial Bus

Barramento Serial Universal

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SUMÁRIO CA PÍTULO 1  – INTRODUÇÃO .........................................................................................................15 1.1 CONSIDERAÇÕES HISTÓRICAS E A EXPANSÃO DA ROBÓTICA .......................................15 1.2 A IMPORTÂNCIA DA ROBÓTICA PARA O HOMEM ..............................................................16 1.3 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO ........................................................................................22 1.4 OBJETIVO GERAL .................................................................................................................24 1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................................24 1.6 JUSTIFICATIVA .....................................................................................................................24 1.7 MOTIVAÇÃO ..........................................................................................................................25

CA PÍTULO 2  – MARCO TEÓRICO ...................................................................................................27 2.1 CONCEITOS BÁSICOS DE UM ROBÔ ...................................................................................27 2.1.1 GRAUS DE LIBERDADE .................................................................................................28  2.1.2 JUNTAS ROBÓTICAS .....................................................................................................29

2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS ROBÔS .............................................................................................31 2.2.1 CONFIGURAÇÃO CINEMÁTICA .....................................................................................31 2.2.1.1 Robô de Coordenadas Cartesianas .........................................................................................32 2.2.1.2 Robô de Coordenadas Cilíndricas ...........................................................................................33 2.2.1.3 Robô Articulado (Coordenadas de Revolução ou Rotativas).....................................................35 2.2.1.4 Robô de Coordenadas Esféricas .............................................................................................36 2.2.1.5 Robô SCARA..........................................................................................................................37

2.2.2 CONFIGURAÇÃO DOS PUNHOS ...................................................................................39

2.3 CAPACIDADE DE REALIZAÇÃO DE TAREFAS ....................................................................39 2.4 GARRAS E FERRAMENTAS TERMINAIS ..............................................................................41 2.4.1 GARRA DE DOIS DEDOS ...............................................................................................41 2.4.2 GARRA DE TRÊS DEDOS ..............................................................................................42  2.4.3 GARRA PARA PREENSÃO DE OBJETOS CILÍNDRICOS ...............................................42  2.4.4 GARRA ARTICULADA .....................................................................................................43

2.5 CINEMÁTICA DE BRAÇOS ROBÓTICOS ..............................................................................43 2.5.1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................43 2.5.2 SISTEMAS DE REFERÊNCIA .........................................................................................44 2.5.3 MODELO GEOMÉTRICO ................................................................................................46 

2.6 MATRIZ DE TRANSFORMAÇÃO PELO MÉTODO DE DENAVIT-HARTENBERG ..................48 2.6.1 APRESENTAÇÃO DA SISTEMÁTICA DE DENAVIT-HARTENBERG...............................48  2.6.2 DESCRIÇÃO DA NOTAÇÃO DE DENAVIT-HARTENBERG ............................................50  2.6.3 EXEMPLO DE APLICAÇÃO .............................................................................................52  2.6.4 ALGORITMO PARA OBTENÇÃO DO SISTEMA DE COORDENADAS PARA O LINK .....53

CA PÍTULO 3  – MODELAG EM CINEMÁTICA DO BR AÇO ROB ÓTICO ...........................................56

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3.1 CONSIDERAÇÕES BIBLIOGRÁFICAS PARA A MODELAGEM ............................................56 3.2 OBTENÇÃO DA MATRIZ DE TRANSFORMAÇÃO DE REFERÊNCIA ....................................56 3.3 APRESENTAÇÃO DO BRAÇO ROBÓTICO PROPOSTO .......................................................59 3.4 ATRIBUIÇÃO DOS FRAMES DE COORDENADAS PELO MÉTODO DE D-H .........................59 3.5 CINEMÁTICA DIRETA: CÁLCULO DA MATRIZ DE TRANSFORMAÇÃO ..............................61 3.6 CINEMÁTICA DIRETA DO BRAÇO ROBÓTICO EM AMBIENTE MATLAB® ..........................65

CA PÍTULO 4  – IMPLEMENTAÇÃO EM B ANCADA E XPER IMENTAL .............................................68 4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ..................................................................................................68 4.2 MATERIAL UTILIZADO ..........................................................................................................68 4.3 DESCRIÇÃO DOS DISPOSITIVOS UTILIZADOS NA EXECUÇÃO DO PROJETO. .................69 4.3.1 A PLACA ARDUINO™ .....................................................................................................69

4.3.2 SERVOMOTORES ..........................................................................................................73 4.3.2.1 Princípio de Funcionamento dos Servomotores .......................................................................74 4.3.2.2 Controle do Ângulo de Rotação dos Servomotores ..................................................................75 4.3.2.3 Torque dos Servomotores .......................................................................................................76

4.3.3 DISPOSITIVO MPU-6050™ - PLACA GY-521 .................................................................78 

4.4 DESCRIÇÃO DO PROJETO EM BANCADA EXPERIMENTAL ...............................................79 4.5 ESQUEMA DE LIGAÇÃO DOS COMPONENTES ...................................................................81 4.6 ÁREA DE TRABALHO DO BRAÇO ROBÓTICO .....................................................................83

CA PÍTULO 5  – RE SULTADOS E DISCUSS ÕES ..............................................................................84 5.1 DESCRIÇÃO DAS CONDIÇÕES DE TESTE ...........................................................................84 5.2 COMPARAÇÃO ENTRE OS VALORES CALCULADOS E OS VALORES SIMULADOS NO MATLAB®  ....................................................................................................................................84 5.2.1 SITUAÇÃO 1 ...................................................................................................................84 5.2.2 SITUAÇÃO 2 ...................................................................................................................87  5.2.3 SITUAÇÃO 3 ...................................................................................................................90 

5.3 SIMULAÇÃO DOS MOVIMENTOS DO BRAÇO EM AMBIENTE SIMULINK® .........................92 5.4 TESTES FÍSICOS DO BRAÇO ROBÓTICO DESENVOLVIDO ................................................98

CA PÍTULO 6 – CONSIDERA ÇÕES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS ........................................101 6.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES ......................................................................101 6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .....................................................................102 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................................................................104 APÊNDICE A – ELEMENTOS ESTRUTURAIS DO BRAÇO ATUADOR ........................................107 APÊNDICE B – ELEMENTOS ESTRUTURAIS DO BRAÇO CONTROLADOR ..............................109 APÊNDICE C – CÓDIGO FONTE PARA ARDUINO™....................................................................112 APÊNDICE D – ORÇAMENTO DO MATERIAL UTILIZADO NO PROJETO ...................................114

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CA PÍTULO 1  – INTRODUÇÃO 1.1 CONSIDERAÇÕES HISTÓRICAS E A EXPANSÃO DA ROBÓTICA Sob o enfoque da robótica, que é a base deste trabalho, faz-se necessário elencar alguns aspectos históricos importantes que culminaram com a democratização das máquinas autônomas e semiautônomas em diversas áreas.  A primeira citação do neologismo robô é encontrada no trabalho do escritor tcheco Karel Capek (1890-1938), quando este utilizou em 1921 o termo robota em sua peça teatral intitulada R.U.R. (Rossum’ s Universal Robots, que pode ser traduzida para o português como Robôs Universais de Rossum) (CAVALCANTE, 2012). Esta peça teatral conta a história de um cientista chamado Rossum, que cria uma substância química e a usa para a construção de humanoides com o intuito de que estes sejam obedientes e realizem todo o trabalho físico. O termo tcheco robota significa trabalho exercido de forma compulsória, atividade forçada, que originou a expressão em inglês robot , posteriormente vindo a ser traduzido para o português como robô (SANTOS, 2014). No decorrer da evolução da espécie, os seres humanos, dotados de capacidades de mutação e adaptação frente às demandas impostas, confrontaram- se por diversas vezes com o desafio da modernização de suas estruturas social, tecnológica, econômica e produtiva. Estas situações de a dversidade impulsionaram o homem a elaborar e adotar equipamentos capazes de desempenhar tarefas repetitivas, complexas ou que apresentem grau de peri culosidade considerável, de tal forma que estes equipamentos passaram a ocupar grande parte das áreas do conhecimento (educação, militar, etc.). Uma das áreas onde ocorreu significativa utilização destes foi na produção e automação industrial (CRAIG, 2006). Segundo Craig (2006), a história da automação industrial pode ser caracterizada por momentos de alterações rápidas nos métodos populares, sejam estes sociais, de produção, na ciência, na arte, na tecnologia, etc. Tais períodos, de fato, sempre vieram atrelados a mudanças nas técnicas de produção, seja como causa ou também como efeito. Contudo, para Cavalcante (2012, p. 22): Embora não haja um consenso claro entre os pesquisadores sobre o começo da ciência robótica, parece que a mesma teve seu início no

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desenvolvimento da pesquisa de teleoperação de manipuladores durante e depois da II Guerra Mundial para tratamento de material nuclear [...]

 Além do manuseio de materiais radioativos, outras áreas de pesquisa têm tomado vantagens da utilização de robôs comandados pelo homem, tais como explorações em profundezas do mar, exploração espacial, operações militares, vigilância patrimonial e pessoal, telecirurgia, etc. (CAVALCANTE, 2012). Garcia et al. (2007 apud SANTOS; NASCIMENTO; BEZERRA, 2007) menciona que, originalmente, a área de robótica também se desenvolveu fundamentada na necessidade de se encontrar soluções apropriadas para necessidades técnicas, tais como acesso a ambientes confinados, reabilitação de pacientes e sondas espaciais. Por outro lado, a partir do ano de 1960 o uso da robótica em conjunto principalmente com softwares  do tipo CAD (Computer Aided Design), que significa desenho assistido por computador e softwares  do tipo CAM  (Computer Aided Manufacturing ), que pode ser traduzido como manufatura auxiliada por computador pavimentaram o caminho que conduziu à sua consolidação em áreas diversificadas, sendo valioso expor ainda que, por meio dos processos industriais automatizados, o ramo da robótica foi capaz de assumir papel de destaque (CRAIG, 2006).  Assim sendo, a utilização massiva de robôs industriais em conjunto com a necessidade de se manipular com segurança materiais nocivos permitiu que a robótica se consolidasse e ocupasse espaço de destaque, colocando-a em um patamar elevado dentro das tarefas desempenhadas para o benefício dos seres humanos.

1.2 A IMPORTÂNCIA DA ROBÓTICA PARA O HOMEM  A progressiva necessidade de se automatizar tarefas em vários setores tem se tornado, muitas das vezes, necessidade fundamental para o propósito de uma empresa ou entidade que almeja melhorar sua eficiência, agilizar funções repetitivas ou ainda assegurar a seus servidores quando da realização de tarefas que geram riscos a estes. Realizar trabalhos automatizados ou mesmo controlados por um operador que exigem precisão e controle exato das variáveis envolvidas são cada vez mais requisitadas (CRUZ, 2010).

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Devido a vários fatores como precisão, grau elevado de periculosidade da operação, necessidade de se acelerar o trabalho, produtividade em alta escala, etc., faz-se imprescindível o uso de mecanismos acionados por um operador ou autocontrolados. É na tentativa de suprir esta demanda que a robótica se insere. De acordo com Rocha (2001), a utilização da robótica permitiu aumentar o grau de automação e flexibilidade de tarefas fabris, facilitando a integração total e o controle otimizado de sistemas. Permitiu também otimizar o fluxo de materiais, através de um correto escalonamento das tarefas, contribuindo para a melhoria significativa da produtividade global de um dado sistema, bem como eliminar a presença humana em ambientes potencialmente agressivos e perigosos para a saúde (ex. indústria que possuam maquinários pesados, indústrias químicas, área nuclear, etc.).  Ainda de acordo com Rocha, (2001, p.4): É uma tarefa fortemente interdisciplinar, envolvendo áreas tecnológicas tão diversas como: sensores e atuadores, eletrônica de potência, energia, projeto mecânico, cinemática, dinâmica, teoria do controle, escalonamento em tempo real, investigação operacional, sistemas de informação, telecomunicações, etc.

Segundo Miyagi e Villani (2004, p.55) “a robótica é por si só um tema de pesquisa extremamente abrangente, envolvendo, entre outras coisas, questões relacionadas à instrumentação e ao projeto de sistemas de controle e supervisão. ”  Assim, a robótica se preocupa com a elaboração de tais dispositivos, e valendo-se de sua característica multidisciplinar, busca o desenvolvimento e a i ntegração de técnicas e algoritmos para a criação de estruturas motorizadas cada vez mais evoluídas; é relativamente nova e foi criada para proporcionar soluções adequadas a algumas dualidades técnicas, onde a atuação humana é difícil, imprecisa, demorada ou até mesmo impossível (ESTREMOTE, 2006).  A base da robótica consiste na junção dos conceitos científicos de mecânica, eletrônica e programação, onde a grande necessidade por inovações técnicas no mundo moderno impulsiona de forma rápida o avanço tecnológico nesta área. Hoje se encontram disponíveis no mercado muitos modelos de computadores e dispositivos específicos para a robótica, com motores, servomotores, sensores, ligas metálicas especiais, placas de circuito de código aberto para programações diversas, etc. Estes materiais são utilizados para benefícios variados em diferentes áreas de atuação humana (SHHEIBIA, 2001).

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 As características de um sistema robótico variam significativamente de acordo com sua aplicação. Todavia, em geral, a robótica pode ser dividida em duas zonas: robótica industrial e de serviços (YUSOFF; SAMIN; IBRAHIM, 2012).  A Federação Internacional de Robótica (International Federation of Robotics) define um robô de serviço como um robô que opera semiautônoma ou totalmente autônoma para realizar serviços úteis ao bem-estar de seres humanos, excetuandose as operações de produção (fábricas e indústrias). Estes robôs móveis são atualmente utilizados em muitos campos de aplicação, incluindo escritórios, tarefas militares, supermercados, galpões, operações hospitalares, ambientes perigosos e agricultura (YUSOFF; SAMIN; IBRAHIM, 2012). Dentre as principais subdivisões acima dispostas, podemos destacar a aplicação da robótica no âmbito militar (segurança) e na área médica. A partir da extração destas duas vertentes, com maior foco para a área médica, torna-se possível a definição do que vem a ser a robótica mímica. Na área médica, robôs cirúrgicos formados por um, dois ou mais braços robóticos capazes de imitar movimentos aplicados a um controlador por um médi co já são realidade. Neste tipo de procedimento, o médico cirurgião manipula de maneira remota ou não um robô que realiza os procedimentos cirúrgicos no paciente através de um console. Este procedimento é chamado de telesurgery  ou remote surgery  (em português, telecirurgia e cirurgia remota, respectivamente). A definição de cirurgia remota é a capacidade de realização de procedimentos cirúrgicos mesmo que médico e paciente não estejam fisicamente no mesmo local: um robô cirúrgico operado pelo cirurgião é controlado a distância através de um dispositivo de comando (console), bem como um sistema sensorial de feedback 1. Um dos dispositivos mais modernos para este fim é o da Vinci® Surgical System  (em português, Sistema Cirúrgico da Vinci ®), sendo que a pesquisa que culminou com o seu desenvolvimento data do final de 1980 pelo instituto norteamericano SRI  (do inglês Stanford Research Institute).  A imagem mostrada na figura 1.1 apresenta o sistema cirúrgico citado. É possível verificar que o médico cirurgião está deslocado do local da cirurgia em si.

1 Informação

que o emissor obtém da reação do receptor à sua mensagem, servindo para avaliar e comparar os resultados da transmissão.

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 A figura 1.2 mostra a maneira que o operador manipula o console, que é composto por mecanismos que fornecem dados de entrada para os braços robóticos cirúrgicos, ou seja, as mãos do médico cirurgião controlam mecanismos articulados que serão replicados pelos braços robóticos do sistema. Figura 1.1 – Sistema robótico da Vinci® Surgical System

Fonte: Página oficial na internet da Empresa Intuitive Surgical ®2. Figura 1.2 – Detalhe do console do da Vinci® Surgical System

Fonte: Página oficial na internet da Cardiothoracic Surgery (Keck School of Medicine University of Southern California)3.

2 Empresa

produtora do Sistema Cirúrgico da Vinci®. Disponível em: . Acesso em: 15 set. 2015. 3 Site Cirurgia Cardiotorácica, Escola de Medicina Keck – Universidade do Sul da Califórnia. Disponível em: < http://www.cts.usc.edu/roboticsurgery-davincisystem.html>. Acesso em: 15 set. 2015.

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Outra aplicação da robótica se dá no uso de robôs desenvolvidos para manuseio e desarme de artefatos suspeitos ou explosivos, conforme pode ser visualizado nas figuras 1.3 e 1.4. Figura 1.3 – Robô militar Dragon Runner ®

Fonte: Site oficial da QinetiQ North America4. Figura 1.4 – Robô militar TALON ®

Fonte: Site oficial da QinetiQ North America5.

Todavia, veículos equipados com braços robóticos e robôs militares são, em sua maioria, dotados de sistemas de controle que operam através de  joystick  do tipo clássico ou similares (semelhante aos controles analógicos disponíveis para consoles de videogames).

4 

Empresa fabricante do produto. Disponível em: . Acesso em: 02 set. 2015. 5  Empresa fabricante do produto. Disponível em: . Acesso em: 02 set. 2015.

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Um joystick  Um joystick  trata-se  trata-se de um periférico periféri co de computador composto composto por uma haste geralmente vertical fixa a uma base. Esta haste, quando movimentada movimentada pelo operador, transmite ângulos que podem variar em duas ou três dimensões, sendo que estes ângulos funcionam como valores de entrada para diversos tipos de mecanismos eletromecânicos ou sistemas computacionais.  A figura 1.5 mostra o TRC  (Tactical  (Tactical Robot Controller ), joystick  ), joystick  produzido  produzido pela Empresa QinetiQ North America  America  e que pode ser utilizado para o controle tanto do ®. Dragon Runner ® quanto do TALON ®. Contudo, a abordagem proposta neste trabalho procura introduzir uma nova maneira de se controlar tais robôs. Esta nova abordagem trata-se justamente da robótica mímica, onde um dispositivo eletromecânico é capaz de imitar com fidelidade os movimentos introduzidos por um mecanismo de controle semelhante ao primeiro. Figura 1.5  – Tactical Robot Controller   - TRC 

Fonte: Página oficial na internet da loja Gryphon Engineering Services 6.

Desta maneira, pela capacidade de imitar movimentos, a robótica mimica pode se constituir como importante ferramenta para a obtenção de êxito no manuseio de materiais sensíveis ou perigosos, geralmente envolvidos em situações delicadas, como é o caso de cirurgias médicas, assim como em ocasiões de elevado stress, como em operações militares de desarme de explosivos. Em ações deste tipo, o

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