WO2014011068A2 - Veículo todo-o-terreno robotizado e autónomo - Google Patents

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WO2014011068A2
WO2014011068A2 PCT/PT2013/000041 PT2013000041W WO2014011068A2 WO 2014011068 A2 WO2014011068 A2 WO 2014011068A2 PT 2013000041 W PT2013000041 W PT 2013000041W WO 2014011068 A2 WO2014011068 A2 WO 2014011068A2
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robot
vehicle according
wheel
batteries
control
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PCT/PT2013/000041
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English (en)
French (fr)
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WO2014011068A3 (pt
Inventor
Pedro FIGUEIREDO SANTANA
Luís Miguel BENTES MOITA FLORES
Nuno Manuel BENTES MOITA FLORES
MAGNO Edgar DA SILVA GUEDES
Pedro Miguel MARTINS DEUSDADO
Nuno Andrade DA CRUZ HENRIQUES
Luís Miguel PARREIRA E CORREIA
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Introsys - Integration For Robotic Systems-Integração De Sistemas Robóticos, S.A.
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Publication date
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Publication of WO2014011068A2 publication Critical patent/WO2014011068A2/pt
Publication of WO2014011068A3 publication Critical patent/WO2014011068A3/pt

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0268—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using internal positioning means
    • G05D1/027—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using internal positioning means comprising intertial navigation means, e.g. azimuth detector
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0276—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using signals provided by a source external to the vehicle
    • G05D1/0278—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using signals provided by a source external to the vehicle using satellite positioning signals, e.g. GPS

Definitions

  • the present invention is in the area of mobile robotics.
  • Mobile robots are more than simple tools with specific tasks. Due to their flexibility, these machines can operate in a variety of scenarios, including tracking and assisting humans, or supporting the development and testing of artificial intelligence models and computer vision and perception algorithms.
  • the growing demand for robotic and mobile solutions justifies an inherent need for versatile and easy-to-implement systems that can carry all the energy, computing and sensor array essential to perform simple or complex tasks.
  • the present invention attempts to address this need for its use in " outdoor, remote and hostile environments. As such, it is a rugged and versatile all-terrain platform for multipurpose application and designed to handle both the requirements required by industrial applications and those required to support research and development teams.
  • the present invention in turn, contains a four-wheel drive locomotion engine designed to reduce wheel slippage and maximize tractive power.
  • This locomotion mechanism ensures that the orientation of the wheels always follows their movement while remaining in constant contact with the ground.
  • the present invention is equipped with four independently controlled wheels in both steering and traction.
  • the hardware architecture of the present invention has been designed to provide a robotic solution that:
  • the mechanical structure plays a key role not only in ensuring the system's resistance against external forces, but also in protecting the electrical and electronic components from the weather while maintaining their functionality, reliability and reliability. safety.
  • the mechanical structure has been designed taking into account, where applicable, Directive 2006/42 / EC. Almost all of the material used was aluminum due mainly to its physical and corrosion resistance, low weight, flexibility, thermal conductivity, ductility and favorable cost-benefit ratio. Using a metal alloy of this material, some properties are reinforced, keeping the structure light and very resistant. In addition, it allows the construction of a completely watertight system without the need for active cooling through fans.
  • the mechanical structure is composed of two hermetically sealed boxes and connected with a hole in the central axis to allow the passage of electrical cables.
  • Each box A and B (1) (3) includes a drawer supported by PVC fittings for easy battery replacement.
  • the four-wheel drive system allows up to five different types of movement. Additionally a passive longitudinal axis has been included to allow the robot to navigate in accordance with terrain topology. The combination of these two features gives the robot the ability to navigate in almost any condition while maintaining its integrity.
  • the robot that constitutes the present invention has features that facilitate its manual transport:
  • Each wheel allows steering lock and has a manual clutch
  • the passive longitudinal axis may be locked to prevent unintentional movement during transport of the robot.
  • the present invention features a modular hardware architecture composed primarily of prefabricated commercial components, which takes into account the needs of a flexible system (eg, to add and remove devices with simple reconfiguration processes). ), reliable and easy to maintain.
  • the robot's main processing unit consists of an Intel Core i 7 industrial computer, which receives data from the sensors present in the robot, builds maps of the local environment, which in turn allow the robot to perform safe unattended navigation.
  • Information about the robot's global positioning, along with its pose and attitude, both essential to map making and robot location from it, is acquired by an inertial unit of measurement consisting of a set of three-dimensional accelerometers and gyroscopes. an integrated global positioning system (GPS). Perception of the space surrounding the robot as well as the detection of obstacles present on the ground is achieved using data obtained from a two-dimensional laser measuring unit mounted on a cyclic variable inclination support.
  • GPS global positioning system
  • a set of internal sensors for temperature reading, voltage applied, current consumed and battery level allow to gather the necessary data to feed the self-monitoring and problem diagnosis tool, thus allowing the safe detection and recovery of system failures. . Therefore, problems that may occur due to overcharging, overheating or battery wear are detected by these sensors allowing for appropriate management, recovery or recovery. system safeguard, including the ability to automatically shut down and restore unstable components.
  • This circuit is composed of two distinct signals, one of which comes from the aggregation of a set of small analog cameras, which cover the periphery of the robot to assist its operation, and the other comes from a surveillance camera.
  • the latter is controllable by the control center in azimuth, tilt and zoom, and features external infrared illumination for capturing night images.
  • Control of the robot's movement can be done using one of two possible devices: a portable control center and a short-range remote control, the latter being used only in the context of teleoperation and when the operator is in line of sight. robot.
  • the portable control center represents a much more complete control unit, which allows not only remote control, but also the planning of autonomous missions and monitoring the current state of the robot.
  • the control center features a rugged, weather-resistant laptop that can be used outdoors. An additional monitor lets you view images taken by cameras on board the robot. A pair of rugged joysticks offer the ability to control both robot movement and surveillance camera movements.
  • the control center's graphical interface also allows the creation and management of routes. georeferenced, to be executed autonomously by the robot.
  • the system allows up to a total of five modes of communication between the operator and the robot.
  • the short-range remote control allows wireless, radio frequency or cable communication connected directly to the robot.
  • the control center offers three alternatives: Wi-Fi (ad hoc) network mode up to a maximum distance of 1000 meters in line of sight; Wi-Fi (infrastructure) network mode dependent on coverage in the operations zone; and umbilical mode.
  • Wi-Fi wireless hoc
  • Wi-Fi infrastructure network mode dependent on coverage in the operations zone
  • umbilical mode is a long cable for transmitting data and power to the robot and is usable in places where the use of a wireless network is not allowed, secure or viable.
  • a multi-purpose robot can be distinguished by its ability not only to operate in different scenarios or to support sensor integration. or additional computing units, but also allow for the addition of new software modules that expand robot functionality (eg, collision-free navigation and human-robot cooperation).
  • the software architecture must be flexible and modular, capable of abstracting both hardware and individual applications in a standardized manner. This makes it easy to manage software upgrades and restores, which simply boils down to which applications, processes and their versions should be executed when the robot is turned on.
  • the software architecture of the present invention has been designed to support features such as action logging, self-diagnostics and human-machine interfaces with proper hierarchy across the various abstraction layers and the communications network.
  • the input and output (I / O) interfaces of the various hardware devices included in the system or with the possibility of future integration were also contemplated.
  • Interprocess communication is achieved through a low-latency conceptual service bus, available across the network, allowing efficient data exchange between the various modules that make up the system.
  • the top layer of software architecture encompasses the human-machine interface and high-level algorithms, which aggregate data from sensors and produce the information needed to support navigation and decision making modules.
  • the lower layers include both software components that are attached directly to hardware devices, and those that attach and give access to the upper layers.
  • Intermediate layers support other system features (eg, communications management, data logging, flow control).
  • This component has the function of mediating the interaction between human agents and the robot, providing the human operator with all relevant information about the current state of the robot and thus allowing a proper decision making. Therefore, the operator has access to a simple and intuitive graphical interface where sensory and telemetry data obtained by the robot are presented, as well as the images captured in real time by the cameras on board the robot.
  • This human-robot interaction tool not only allows you to directly operate the robot with full awareness of its surroundings, but also to correct or improve the desired behavior for the robot when it is in autonomous mode.
  • Embedded in the graphical interface are applications that give access to web services such as georeferenced location and mapping and face recognition. The first was extended to allow the creation and editing of desired routes, superimposed on the theater's own aerial map.
  • This component is responsible for the logical processing of high level algorithms. These include robot kinematics calculation, obstacle detection, route planning, and self-diagnosis and error recovery. In order to increase flexibility, this module allows the addition of new software packages due to their graphical structure with nodes representing processes and links representing messaging between processes (as will be described below).
  • This component serves the purpose of storing all persistent data and processed information. It is organized as a file system, 'with boards and subdiretorias, available to all other software modules.
  • Device Controllers These are critical elements that allow the connection of physical sensors and actuators with the logic system present in the robot. They translate raw data collected by hardware devices into a format recognizable by the central processing unit and other software modules.
  • Service Bus represents the common interface that allows communication (message exchange and services) between all software modules.
  • ROS Robot Operating System
  • the control system of the present invention respects the ROS syntax with respect to the concepts of ⁇ ⁇ 'and topic' for data processing and message exchange, respectively.
  • Nodes interact with each other through a topic-based messaging system. Thus, whenever a process needs to receive or send information specific to a particular subject, it subscribes or announces the publication in the respective topic, expecting it to be fed by new data from other nodes, or itself feeding the topic to data is consumed by other nodes.
  • nodes can represent various levels of functionality.
  • Locomotion Control being included as part of the In the device control layer, the locomotion control node is responsible for acting directly on the robot motors (7) (8), taking into account the orders received by the kinematic node (see below). Interaction between both nodes is via a ROS message type (sensor_msgs / JointState) that can carry values about the velocity or effort position of a set of physical actuators. As such, the same type of message is used both to receive orders about desired values and to publish information about the current state of actuators.
  • ROS message type sensor_msgs / JointState
  • this node is responsible for solving the robot's inverse kinematics problem by taking into account linear and angular motion commands received through the geometry_msgs / Twist ROS messages published by the navigation node. In this way, the commands are translated to the absolute values of position and speed of each actuator, necessary for the robot to perform the desired movements.
  • the current position and speed values of the motors (7) (8) are used to estimate the displacement and pose of the robot, ie its odometry, publishing the result through the ROS nav_msgs / Odometry messages.
  • the navigation node abstracts a set of nodes responsible for route planning and obstacle avoidance behaviors. This meta node receives and groups sensory data and data from the control interface, such as: distances to objects via sensor_msgs / LaserScan messages; inclination and orientation of the robot through the sensor_msgs / IMU messages; estimated position and speed through the messages nav__msgs / Odometry; and intended destination through the geometry_msgs / PoseStamped messages. Subsequently, the node publishes the planned route to the intended destination, as well as the next values for the linear and angular velocity that the robot will have to take.
  • This node is responsible for the logical interface with the joysticks used to operate the robot. Desired values for speed, orientation and mode of movement are obtained directly from the joysticks and used to estimate the linear velocity and angular velocity to be applied to the robot via ROS geometry_msgs / Twist messages.
  • this node provides the user with an intuitive graphical interface for remote robot control and monitoring. As such, the graphical interface displays all sensory data read by the robot, its current operating state, estimated diagnostics, and more. This information can be obtained in real time, or later in the system logs. Through this node, the user will also be able to view and change system configuration parameters (e.g., characteristics of the communications network). Finally, this node also includes support for native ROS visualization and simulation tools such as Rviz and Gazebo.
  • Enlarged Camera This node displays the images captured by the surveillance camera on board the robot, making facial detection of people present in them. The user may also record an image at any time for further detailed analysis. Other features allow the graphical visualization of the robot's current global orientation and positioning, as well as the orientation of the next GPS points the robot should reach. Various optimizations have also been implemented to avoid unnecessary additional computation in case of small robot movements and vibrations.
  • Map Track This mode displays the robot's actual routes over georeferenced aerial maps, using the robot's current GPS position and the Google Maps service. Its functionality allows the operator to create new routes and modify or remove existing routes. Each route consists of a set of interconnected GPS points that the robot must reach in order. The user can create intermediate points by touching the line connecting two existing points. Each existing point can be moved and repositioned as needed. Edit mode can be disabled to prevent accidental editing of tracks when you are rotating, zooming in or out. A side panel allows you to view the list of tracks stored in the system.
  • ROS itself already includes some device drivers needed to communicate with some of the hardware components present in the robot, they could be easily integrated into the system.
  • Laser Scan Available in the LMSlxx software package, this device driver allows you to communicate with the SICK LMS111 laser measurement device robot, publishing the values obtained through the ROS sensor_msgs / LaserScan messages.
  • IMU Available in the lse_xsens_mti software package, this node allows you to obtain the inertial readings of the Xsens Mti-G device by publishing them via ROS sensor_msgs / IMU messages. Additionally, the geographic coordinates obtained by the same device are published via the ROS sensor_msgs / NavSatFix messages.
  • the architecture presented supports the basic features of the robot, such as remote control and autonomous GPS point tracking. It also enables easy integration of additional utility modules. However, the robustness required to perform long-term tasks can only be achieved with the support of an appropriate fault diagnosis and recovery mechanism. This will be explained in more detail in the next section.
  • the diagnostic system of the present invention has been designed to collect data from hardware components and software modules for the purpose of analysis, problem tracking and fault recording. This system is fully supported by ROS as it provides standardized
  • diagnostic_aggregator native node collects the messages published in this topic, processes and categorizes them, ie, cataloging the messages by system module, and republishes them in the respective topic, / diagnostics_agg.
  • the invention includes a custom graphical interface where each system module is represented by a quadrangular icon placed in its actual physical position on a scale model of the mechanical platform. The user can observe the status of each module by the color of the corresponding icon margins which, taking as possible colors green, orange, red or blue, designate the states of good (ok), alert, error or obsolete, respectively. .
  • the last state corresponds to the case where the module no longer publishes messages from diagnosis.
  • the diagnostic tool included in the invention supports the error recovery mechanism. This mechanism intervenes whenever a system failure is reported by diagnostics, thus reducing the need for human intervention in the error recovery phase. Therefore, the error catcher was implemented as a standalone ROS node and incorporated into the control system architecture. This node collects information from the diagnostic_aggregator node and subscribes to the most critical system topics, notably those that share data about mobility commands and communication with hardware devices. This not only allows us to control the health of each node, but also validate the orders and commands exchanged between nodes. In fact, the error retriever is aware at any time of the system security parameters provided by the repository layer. As a result, this node has the ability to act as a filter, limiting and preventing the exchange of invalid commands that may affect system security.
  • each node can report critical failures. (eg, a device driver unable to communicate with the respective hardware component) directly to the error catcher, thereby reducing response time ' .
  • the error catcher acts on the global system (eg, stopping the robot's movements and putting all walking commands on hold) in an attempt to solve the problem (eg, restoring the failing device or changing system settings) before requesting any human intervention.
  • a passive center joint (2) whose rotation range can be adjusted to preset values: the desired range This can be achieved by applying a mechanical clamp, which will physically limit shaft rotation beyond the corresponding amplitude.
  • a 5 mm hex wrench is required to replace the screws that secure these clamps.
  • the steering unit has been directly coupled (without torque limiter (9)) with a secondary reduction gear (10) (11).
  • the secondary gear unit (10) (11) with a ratio of 2: 1, the gears are of the spur type, module 2, made of tempered stainless steel 37Cr4. The teeth were hardened to a minimum hardness of 58 HRC.
  • the maximum permitted torque available on the wheel is approximately 114 Nm under quasi-static conditions, corresponding to a horizontal force at the tip of the tire (5) about 35 daN.
  • the transmission is fully reversible, allowing the wheel to be freely positioned with the engine off and unbraked, and locked once the wheel is aligned longitudinally with the robot by means of a suitable latch. Wheel angle can be detected with an absolute encoder (ref. ENA28F Megatron).
  • the entire transmission block has been sealed with a rubber ring at the base and at the junction with the wheel hub (16).
  • An M12xl.5 hole allows the data and power cables to be routed to the encoder using an M12 IP65 cable gland to allow waterproofing of the block.
  • the robot has a maximum width of 847 mm including the selected tires (5).
  • the mechanical structure of the robot is Almost all of it is made of aluminum alloy, which is about 84% of its total weight, and for the welded components a 6082-T6 alloy was used and for the machined components a 7075-T6 alloy was used.
  • the wheels are arranged to maximize robot stability. Its essentially symmetrical construction made it possible to move the center of mass of the structure approximately to the central axis.
  • the structure has a ground clearance of 204.3 mm in the center and 191.3 mm in the area of the drive arms (6) (12). These dimensions may change depending on the choice of tires, their pressure and the weight of the load carried.
  • the Maxon EC45 136210 motor has a nominal angular speed of 8380 rpm (9090 rmp in vacuum at 24 Vdc).
  • the required torque is greater than 0.66 Nm, corresponding to an approximate speed of 2.3 km / h depending on the engine torque curve.
  • the robot should only be subject to these conditions for short periods of time as the motors (7) (8) may overheat.
  • the Maxon EC45 136210 engine allows a maximum torque of 4.18 Nm to be developed, corresponding to the outer shaft torque of about 207 Nm, higher than the permitted intermittent value of 75 Nm.
  • the transmission design makes it possible to adjust the maximum torque. compatible with the performance reported by Maxon to your gear unit.
  • a maximum torque on the rotating shaft of approximately 150 Nm can be applied prior to the limiter intervention, corresponding to a tractive force of 46 daN, which allows a vertical obstacle to be overcome at a speed close to zero and for very little time. time. Torque limitation is done by acting on the screw in the center of the wheel hub (16).
  • the typical load carried is around 60 daN, including batteries.
  • the dimensioning of the frame components verified at 4g according to the military standard MIL-STD-1791, allows to increase the load up to 100 kg, with eventual reduction of energy autonomy and performance.
  • holes 011 (14) have been created in the upper transmission arms (6). These holes (14) allow mounting of MIO eyes. Each steering group allows the wheel to lock in position that is aligned longitudinally with the frame. Also, the wheel hubs (16) are equipped with mechanical wheel release systems allowing them to rotate freely without being subjected to the motors (7) (8). The aluminum rims were mounted on the hubs with 6 mm countersunk head bolts. All exposed surfaces of the structure are smooth and rounded with no sharp edges.
  • the solution represented for the center shaft is easy to set up and very durable and can withstand repeated shocks and impacts.
  • the mechanical structure of the robot consists of two hermetically sealed enclosures (1) (3) connected to each other with a 055 mm hole in the central axis to allow electrical cables to pass through.
  • Each box (A and B) (1) (3) includes a drawer supported by PVC fittings for easy battery replacement. To open the drawers, use the 8 screws on the perimeter of the lid with a 4 mm hex wrench. The drawer can be removed until the lid has a maximum distance to the box of about 250 mm; above this value the fittings can no longer support its weight. Before closing the cover, check that the rubber sealing ring is intact and correctly positioned.
  • the size of the housings A and B allows the inclusion in each of a 24 V x 60 Ah LiFeP04 battery (ref. RFE-8F60 ABM, size 195X150x295 mm, 16 kg). It is, however, possible to mount batteries with other performances and shapes as long as their surrounding volume does not exceed the internal size of the drawers. Assuming that:
  • Friction coefficient for flat, smooth and horizontal surfaces 5%
  • the power consumption is around 350 W, which corresponds to a power autonomy of about 4 hours on one battery (considering the batteries mentioned above). However, this limit cannot be reached considering that the capacity of the batteries is calculated according to an energy consumption of 20% of the mentioned value, ie 288 W for 12 V batteries.
  • Housings A and B allow drilling from the sides or top to provide watertight connectors to allow batteries to be charged. This operation can be performed conveniently at the time of battery installation.
  • the frame supports up to two batteries that can be independently connected (for example one for power and one for powering the electronic components), or interconnected, in parallel or series.

Abstract

A presente invenção é um robô de serviço polivalente e robusto para a execução de operações em ambientes exteriores todo-o-terreno, que tem por objectivo cumprir os requisitos necessários para suportar o desenvolvimento de aplicações reais nas áreas da vigilância de perímetros, agricultura, monitorização ambiental e outros domínios relacionados cuja incorporação de sistemas robotizados se revele uma mais-valia e tem como foco a fiabilidade da plataforma mecânica, a escalabilidade do sistema decontrolo, a flexibilidade das ferramentas de autodiagnóstico e recuperação de erros. A presente invenção apresenta uma plataforma mecânica robusta feita de materiais duráveis, com um sistema de locomoção quase omnidireccional e livre de situações de escorregamento, perfeitamente adequado para terrenos acidentados. A escalabilidade do seu sistema de controlo foi garantida com a adopção de métodos conhecidos e utilizados em robótica móvel, e a integração de mecanismos ativos de autodiagnóstico e recuperação de erros permite à presente invenção realizar tarefas de longa duração sem necessidade de intervenção por parte do operador humano.

Description

DESCRIÇÃO
VEÍCULO TODO-O-TERRENO ROBOTIZADO E AUTÓNOMO"
Campo técnico da invenção
A presente invenção insere-se na área da robótica móvel. Os robôs móveis são mais do que ferramentas simples com tarefas especificas. Devido à sua flexibilidade, estas máquinas podem operar nos mais diversos cenários, incluindo o acompanhamento e assistência a humanos, ou o suporte ao desenvolvimento e teste de modelos na área da inteligência artificial e de algoritmos de percepção e visão computacional. Para tal, a procura crescente por soluções robotizadas e móveis justifica uma necessidade inerente de sistemas versáteis e de fácil implementação, capazes de transportar toda a energia, computação e o conjunto de sensores essenciais para a execução de tarefas simples ou complexas. A presente invenção tenta colmatar, esta necessidade no que respeita a sua utilização em ambientes" exteriores, remotos e hostis. Para tal, apresenta-se como uma plataforma todo-o-terreno, robusta e versátil, para aplicação multiuso, e desenhada para lidar tanto com os requisitos exigidos por aplicações industriais, como os necessários ao suporte a equipas de investigação e desenvolvimento.
Estado da técnica da invenção
Embora as soluções robóticas concebidas atualmente para ambientes interiores apresentem já graus de desempenho robustos, existe um vasto conjunto de desafios ainda por resolver, principalmente quando se trata de ambientes exteriores e mais complexos. Nestes casos, a navegação autónoma depende muito da eficácia na detecção de obstáculos presentes no terreno e da qualidade dos dados sensoriais adquiridos, onde se incluem os problemas de localização inerentes ao cálculo da odometria. Por seu lado, a aposta em soluções mecatrónicas , cujo sistema de locomoção se adeqúe perfeitamente ao rigor do tipo de terreno considerado, pode reduzir bastante a complexidade do software relacionado com o controlo de navegação do robô. Consequentemente, a plataforma robótica deverá lidar eficazmente com as adversidades do terreno por forma a superar obstáculos sem que as rodas fiquem bloqueadas ou escorreguem frequentemente durante a execução de tarefas de longa duração. As operações em ambientes exteriores tornam- se particularmente interessantes quando se abordam temas como missões de busca e salvamento, patrulha e reconhecimento, desminagem humanitária, monitorização ambiental, ou agricultura. Todos estes cenários exigem que a plataforma robótica tenha a capacidade para navegar com estabilidade e segurança sobre terrenos acidentados e sob condições ambientais adversas.
A abordagem mais popular para resolver o problema da locomoção em ambientes não estruturados consiste na utilização de esteiras ao invés de rodas. Contudo, se por um lado, as esteiras oferecem maior área de contacto com o solo e, consequentemente, maior capacidade de tração e menor deslizamento, por outro lado, limitam a mobilidade da plataforma ao tipo de direção diferencial, o que resulta numa estimação pouco fiável da odometria e numa perda considerável de energia. Outro aspecto negativo deste tipo de locomoção deriva da tipicamente reduzida altura ao solo, o que prejudica significativamente a capacidade do robô para ultrapassar obstáculos irregulares. Outras soluções têm sido propostas, tais como robôs esféricos ou equipados com pernas. Contudo, enquanto os primeiros se revelam inadequados para terrenos acidentados, os segundos necessitam de imensa energia disponível por forma a alimentar o seu complexo sistema de controlo de equilíbrio, o que limita significativamente a autonomia energética do robô.
A presente invenção, por seu lado, contém um mecanismo de locomoção baseado em quatro rodas motrizes, desenhado por forma a reduzir a derrapagem das rodas e maximizar a potência de tração. Este mecanismo de locomoção assegura que a orientação das rodas acompanhe sempre o movimento das mesmas, enquanto permanece em contacto constante com o solo. Por forma a alcançar este desempenho e permitir um movimento quasi-omnidireccional , a presente invenção é equipada com quatro rodas controladas independentemente tanto em direção como em tração.
Adicionalmente possui um eixo 1ongitudinal passivo que permite ao robô navegar de forma compatível com terrenos irregulares, ou seja, sem perder a tração às quatro rodas.
Descrição da invenção
A arquitetura de hardware da presente invenção foi desenhada por forma a proporcionar uma solução robótica que se a :
a) rentável e durável para operações em todo-o-terreno e sob todas as condições meteorológicas - este efeito técnico é alcançado com a concepção de uma estrutura mecânica resistente a intempéries;
b) ideal para suportar sistemas de controlo baseados em inteligência artificial - este efeito técnico é alcançado com a capacidade de locomoção quasi- omnidireccional e sem situações de escorregamento, que permita optimizar o cálculo da odometria e ofereça uma pegada energética reduzida.
Destinada a operar em aplicações reais ao ar livre, a estrutura mecânica tem um papel fundamental, não só para garantir a resistência do sistema contra forças externas, mas também em proteger os componentes eléctricos e electrónicos contra as intempéries, mantendo a sua funcionalidade, fiabilidade e segurança. A estrutura mecânica foi desenhada tendo em consideração, sempre que aplicável, a diretiva 2006/42/EC. O material utilizado foi na sua quase totalidade o alumínio devido principalmente à sua resistência física e à corrosão, ao baixo peso, à flexibilidade, à condutividade térmica, à ductilidade e à favorável relação custo-benefício . Utilizando uma liga metálica deste material, algumas propriedades são reforçadas, mantendo a estrutura leve e bastante resistente. Além disso, permite a construção de um sistema completamente estanque e sem necessidade de refrigeração ativa por intermédio de ventiladores.
A estrutura mecânica é composta por duas caixas hermeticamente fechadas e conectadas entre si com uma furação no eixo central para permitir a passagem de cabos elétricos. Cada caixa A e B (1) (3) inclui uma gaveta suportada por encaixes de PVC para permitir a fácil troca de baterias. O sistema de locomoção constituído por quatro rodas motrizes independentes permite até cinco modos tipos de movimento diferentes. Adicionalmente foi incluído um eixo longitudinal passivo para permitir que o robô navegue em conformidade com a topologia do terreno. A combinação destas duas características oferecem a capacidade para o robô navegar em quase todas as condições, mantendo a sua integridade .
A transmissão da força motriz de cada motor (7) (8) para a roda correspondente é feita diretamente através de um simples sistema de engrenagens. A ausência de correntes ou correias reduz significativamente não só a energia desperdiçada como também o número de pontos propícios a falhas ou rupturas. A energia total disponível para a tração (máx. lkW = 4x250W) permite que o robô se desloque com velocidades até 1,5 m/s e supere inclinações até 40°.
Outra questão relacionada com este tipo de aplicações e que é frequentemente ignorada diz respeito aos problemas relacionados com a logística e transporte do robô. Para além de ter sido concebido com a preocupação em manter uma dimensão e peso baixos, não perdendo funcionalidades e autonomia energética, o robô que constitui a presente invenção apresenta características que facilitam o seu transporte manual:
1. cada roda permite o bloqueio de direção e possui uma embraiagem manual;
2. o eixo longitudinal passivo pode ser bloqueado para não permitir movimentos não intencionais durante o transporte do robô.
De modo a suportar o sistema de controlo, as aplicações de alto nível e os módulos de software, a presente invenção apresenta uma arquitetura de hardware modular, composta principalmente por componentes comerciais pré-fabricados , a qual considera as necessidades de um sistema flexível (e.g., que permita adicionar e retirar dispositivos com processos de reconfiguração simples), fiável e de fácil manutenção .
A unidade de processamento principal do robô é composta por um computador industrial Intel Core i 7, o qual recebe dados provenientes dos sensores presentes no robô, constrói mapas do ambiente local que, por sua vez, permitem ao robô efetuar uma navegação autónoma segura. As informações relativas ao posicionamento global do robô, juntamente com a sua pose e atitude, ambos essenciais à construção dos mapas e localização do robô a partir do mesmo, são adquiridas por uma unidade de medição inercial composta por um conjunto de acelerómetros e giroscópios tridimensionais e um sistema de posicionamento global (GPS) integrado. A percepção do espaço envolvente ao robô, bem como a detecção de obstáculos presentes no terreno, é conseguida com recurso a dados obtidos por uma unidade de medição bidimensional a laser, montada num suporte com inclinação variável cíclica. Adicionalmente, um conjunto de sensores internos para leitura de temperatura, tensão aplicada, corrente consumida e nível das baterias permitem reunir os dados necessários para alimentar a ferramenta de automonitorização e diagnóstico de problemas, permitindo desta forma a detecção e recuperação em segurança de falhas no sistema. Por conseguinte, problemas que possam ocorrer por sobrecarga, excesso de temperatura ou desgaste das baterias são detectados por estes sensores permitindo a tomada de medidas apropriadas à gestão, recuperação ou salvaguarda do sistema, incluindo a capacidade de desligar e restaurar automaticamente os componentes que apresentem um funcionamento instável.
Numa outra secção, praticamente independente da camada de controlo e suporte, encontra-se um circuito fechado de vídeo. Este circuito é composto por dois sinais distintos sendo que um é proveniente da agregação de um conjunto de pequenas câmaras analógicas, que abrangem a periferia do robô para auxiliar a tele operação do mesmo, e o outro provem de uma câmara de vigilância. Esta última é controlável, pelo centro de controlo, em azimute, inclinação e zoom, e comporta iluminação externa por infravermelhos para captação de imagens noturnas.
O controlo de locomoção do robô pode ser feito utilizando um de dois dispositivos possíveis: um centro de controlo portátil e um comando remoto de curto alcance, sendo o último apenas utilizado em contexto de tele operação e quando o operador se encontre em linha de vista do robô. Já o centro de controlo portátil representa uma unidade de controlo bastante mais completa, que permite não só o controlo de tele operação, como também o planeamento de missões autónomas e monitorização do estado atual do robô.
O centro de controlo engloba um computador portátil robusto, resistente a intempéries e utilizável em ambientes ao ar livre. Um monitor adicional permite visualizar a imagens obtidas pelas câmaras a bordo do robô. Um par de joysticks robustos oferece a possibilidade de controlar tanto a locomoção do robô como os movimentos da câmara de vigilância. A interface gráfica do centro de controlo permite também a criação e gestão de trajetos georreferenciados , a serem executados de forma autónoma pelo robô.
Considerando os dois dispositivos de comando, o sistema permite até um total de cinco modos de comunicação entre o operador e o robô. O comando remoto de curto alcance permite comunicação sem fios, por radiofrequência, ou por cabo ligado diretamente ao robô. Já o centro de controlo oferece três alternativas: modo de rede Wi-Fi (ad-hoc) até uma distância máxima de 1000 metros em linha de vista; modo de rede Wi-Fi (infraestrutura) dependente da cobertura na zona de operações; e modo com umbilical. O último modo consiste num cabo longo para transmissão de dados e potência para o robô, sendo utilizável em locais onde a utilização de uma rede sem fios não é permitida, segura ou viável .
Outra característica de hardware proposta diz respeito à possibilidade de adição de módulos de expansão. Este sistema foi desenhado por forma a permitir que todo o tipo de sensores adicionais (e.g., temperatura atmosférica, radiação, humidade, minas, metais) possam ser incorporados sem necessidade de alimentação externa, uma vez que estão previstas e incluídas linhas de diversas tensões disponíveis diretamente nos mesmos conectores utilizados para transmissão de dados. Isto permitirá também a adição de mais unidades de computação, unidades de vídeo ou manipuladores eléctricos, sem grandes esforços de implementação .
No que respeita ao software, um robô polivalente pode ser distinguido pela sua habilidade não só de operar em cenários distintos ou de suportar a integração de sensores ou unidades de computação adicionais, mas também de permitir a adição de novos módulos de software que expandam a funcionalidade do robô (e.g., navegação livre de colisões e cooperação homem-robô) . Para isto, a arquitetura de software deve ser flexível e modular, capaz de abstrair tanto o hardware como as aplicações individuais de uma maneira normalizada. Desta forma, é possível gerir facilmente as atualizações e restauros de software, o que resumir-se-á apenas a listar quais as aplicações, processos e respectivas versões que deverão ser executadas na altura que se ligar o robô.
A arquitetura de software da presente invenção foi desenhada por forma a suportar funcionalidades como registo de ações, autodiagnóstico e interfaces homem-máquina com hierarquia apropriada através das várias camadas de abstração e da rede de comunicações. As interfaces de entrada e saída de dados (I/O) dos diversos dispositivos de hardware , incluídos no sistema ou com possibilidade de integração futura, também foram contemplados. A comunicação entre processos é conseguida por intermédio de um barramento de serviços conceptual de baixa latência, disponível em toda a rede, permitindo a troca eficiente de dados entre os diversos módulos que compõem o sistema.
A camada de topo da arquitetura de software engloba a interface homem-máquina e os algoritmos de alto nível, que agregam os dados provenientes dos sensores e produzem a informação necessária ao suporte dos módulos de navegação e tomada de decisão. Reciprocamente, as camadas inferiores incluem tanto os componentes de software que se encontram ligados diretamente aos dispositivos de hardware, como aqueles que ligam e dão acesso às camadas superiores. As camadas intermédias permitem dar suporte às restantes funcionalidades do sistema (e.g., gestão de comunicações, registo de dados, controlo de fluxo) .
Os restantes módulos de software podem ser descritos resumidamente no seguinte:
Interface homem máquina: este componente tem a função de mediar a interação entre os agentes humanos e o robô, proporcionando ao operador humano toda a informação relevante sobre o estado atual do robô e permitindo deste modo uma tomada de decisão adequada. Por conseguinte, o operador tem acesso a uma interface gráfica simples e intuitiva onde são apresentados dados sensoriais e telemétricos obtidos pelo robô, bem como as imagens captadas em tempo real pelas câmaras a bordo do mesmo. Esta ferramenta de interação homem-robô permite não só tele operar diretamente o robô, com total percepção do ambiente envolvente ao mesmo, mas também corrigir ou melhorar o comportamento desejado para o mesmo quando este se encontra em modo autónomo. Embutidas na interface gráfica, encontram-se aplicações que dão acesso a serviços Web, tais como localização e mapeamento georreferenciado e reconhecimento facial. 0 primeiro foi estendido por forma a permitir a criação e edição de trajetos desejados, sobrepostos ao próprio mapa aéreo do teatro de operações.
Aplicação : este componente é o responsável pelo processamento lógico dos algoritmos de alto nivel. Aqui estão incluídos o cálculo da cinemática do robô, a detecção de obstáculos, o planeamento de trajetos e o autodiagnóstico e recuperação de erros. Por forma a aumentar a flexibilidade, este módulo permite a adição de novos pacotes de software devido à sua estrutura em forma de grafo com nós a representarem processos e ligações a representarem a troca de mensagens entre processos (como será descrito mais abaixo) .
Repositório : este componente serve o propósito de armazenar todos os dados persistentes e informação processada. Está organizado como um sistema de ficheiros,' com diretorias e subdiretorias, disponível a todos os restantes módulos de software .
Controladores de Dispositivo: são elementos críticos que permitem a ligação dos sensores e actuadores físicos com o sistema lógico presente no robô. Executam a tradução dos dados recolhidos em bruto pelos dispositivos de hardware para um formato reconhecível pela unidade central de processamento e restantes módulos de software .
Barramento de serviços : representa a interface comum que permite a comunicação (troca de mensagens e serviços) entre todos os módulos de software .
Por forma a cumprir com os requisitos de flexibilidade e modularidade, o sistema de controlo proposto para a presente invenção é totalmente compatível com a framework de software Robot Operating System (ROS) . Esta escolha deveu-se às suas características de código fonte aberto e à sua forte disseminação e utilização a uma escala global, tanto para fins académicos como comerciais. Por conseguinte, o ROS fornece já consigo um conjunto de serviços normalizados, típicos a um sistema operativo orientado ao controlo e suporte ao desenvolvimento de aplicações robóticas. Entre outros, o ROS permite a abstração do hardware, controlo de dispositivos a baixo nivel, implementação de funcionalidades comuns a vários níveis, troca de mensagens entre processos e gestão de pacotes de software. A sua arquitetura é baseada num sistema de grafo no qual os nós representam processos que podem subscrever, publicar ou agrupar mensagens relativas a comandos de controlo, informação, sensorial, estado atual, planeamento, entre outras. 0 ROS permite também o desenvolvimento assente . em computação distribuída, providenciando as bibliotecas, ambientes de desenvolvimento, compiladores e ferramentas para o desenvolvimento e execução de aplicações distribuídas entre vários computadores da rede (dentro e fora do robô) .
O sistema de controlo da presente invenção respeita a sintaxe do ROS no que diz respeito aos conceitos de Ληό' e tópico' para processamento de dados e troca de mensagens, respectivamente. Os nós interagem entre si através de um sistema de troca de mensagens denominado por tópicos. Desta forma, sempre que um processo necessite de receber ou enviar informação específica a determinado assunto, ele subscreve ou anuncia a publicação no tópico respectivo ao assunto, esperando que este seja alimentado por novos dados provenientes de outros nós, ou ele próprio alimentando o tópico para que os dados sejam consumidos por outros nós. Dentro do ROS, os nós podem representar diversos níveis de funcionalidades.
Para além dos existentes no ROS foram implementados, para o sistema básico de controlo da presente invenção, os seguintes nós:
Controlo de Locomoção: estando, incluído como parte da camada de controlo de dispositivos, o nó de controlo de locomoção é o responsável por atuar diretamente nos motores (7) (8) do robô, tendo em conta as ordens recebidas pelo nó da cinemática (ver abaixo) . A interação entre ambos os nós é feita através de um tipo de mensagens ROS {sensor_msgs/JointState) que pode transportar valores acerca da posição velocidade ou esforço de um conjunto de actuadores físicos. Como tal, o mesmo tipo de mensagem é utilizada tanto para receber ordens acerca dos valores desejados como para publicar informação acerca do estado atual dos actuadores.
Cinemática : na camada de aplicações, este nó é o responsável pela resolução do problema da cinemática inversa do robô tendo em conta comandos de movimento linear e angular recebidos através das mensagens ROS geometry_msgs/Twist , publicadas pelo nó da navegação. Desta forma, os comandos são traduzidos para os valores absolutos de posição e velocidade de cada actuador, necessários a que o robô execute os movimentos pretendidos. Por outro lado, os valores atuais de posição e velocidade dos motores (7) (8) são utilizados para estimar o deslocamento e pose do robô, ou seja a sua odometria, publicando o resultado através das mensagens ROS nav_msgs/Odometry.
Navegação : o nó da navegação abstrai um conjunto de nós responsáveis pelos comportamentos de planeamento de trajetos e desvio de obstáculos. Este meta-nó recebe e agrupa dados sensoriais e dados vindos da interface de controlo, tais como: distâncias a objetos através das mensagens sensor_msgs/LaserScan ; inclinação e orientação do robô através das mensagens sensor_msgs/IMU; posição e velocidade estimadas através das mensagens nav__msgs/Odometry; e destino pretendido através das mensagens geometry_msgs/ PoseStamped. Posteriormente, o nó publica o trajeto planeado até ao destino pretendido, bem como os próximos valores para a velocidade linear e angular que o robô terá de tomar.
Tele operação: este nó é o responsável pela interface lógica com os dispositivos de controlo de locomoção (joysticks) utilizados para operar o robô. Os valores desejados para a velocidade, orientação e modo de locomoção são obtidos diretamente dos joysticks e utilizados para estimar a velocidade linear e a velocidade angular a aplicar ao robô através de mensagens ROS geometry_msgs/ Twist.
Interface Gráfica de Controlo: incluído na camada da interface homem-máquina, este nó permite apresentar ao utilizador uma interface gráfica intuitiva para o controlo e monitorização remota do robô. Como tal, a interface gráfica apresenta todos os dados sensoriais lidos pelo robô, o seu estado de funcionamento atual, diagnósticos estimados, entre outros. Esta informação pode ser obtida em tempo real, ou posteriormente nos registos do sistema. O utilizador poderá também, através deste nó, visualizar e alterar os parâmetros de configuração do sistema (e.g., características da rede de comunicações) . Finalmente, este nó inclui também o suporte para as ferramentas de visualização e simulação nativas do ROS, tais como o Rviz e o Gazebo.
Câmara Aumentada: este nó exibe as imagens captadas pela câmara de vigilância a bordo do robô, procedendo à detecção facial de pessoas presentes nas mesmas. O utilizador poderá também gravar uma imagem a qualquer momento para posterior análise mais detalhada. Outras funcionalidades permitem a visualização gráfica da orientação e posicionamento global atual do robô, bem como as orientações dos próximos pontos GPS que o robô deverá alcançar. Foram implementadas também várias optimizações por forma a evitar computação adicional desnecessária em caso de pequenos movimentos e vibrações do robô.
Trilho em Mapa: este modo exibe os trajetos reais do robô sobre mapas aéreos georreferenciados , com recurso à posição GPS atual do robô e o serviço Google Maps. A sua funcionalidade permite ao operador criar novos trajetos e modificar ou remover trajetos existentes. Cada trajeto consiste num conjunto de pontos GPS interligados que o robô deverá alcançar por ordem. O utilizador pode criar pontos intermédios tocado a linha que liga dois pontos existentes. Cada ponto existente pode ser deslocado e reposicionado sempre que necessário. 0 modo de edição pode ser desativado por forma a evitar a edição acidental de trajetos quando o utilizador estiver a rodar, ampliar ou diminuir o mapa. Um painel lateral permite visualizar a lista de trajetos guardados no sistema.
Uma vez que o próprio ROS inclui já alguns controladores de dispositivos necessários à comunicação com alguns dos componentes de hardware presentes no robô, estes puderam ser facilmente integrados no sistema. Estes nós, disponibilizados pela comunidade, foram os seguintes:
Laser Scan: disponível no pacote de software LMSlxx, este controlador de dispositivo permite comunicar com o dispositivo de medição a laser SICK LMS111 presente no robô, publicando os valores obtidos através das mensagens ROS sensor_msgs/LaserScan .
IMU: disponível no pacote de software lse_xsens_mti , este nó permite obter as leituras inerciais do dispositivo Xsens Mti-G, publicando-as através das mensagens ROS sensor_msgs/IMU. Adicionalmente, as coordenadas geográficas obtidas pelo mesmo dispositivo são publicadas através das mensagens ROS sensor_msgs/NavSatFix.
Outras modalidades sensoriais, que não indispensáveis ao controlo básico do robô (e.g., câmaras de visão binocular, sensores ultrassónicos , etc.) seguem a mesma linha de raciocínio .
A arquitetura apresentada permite suportar as funcionalidades básicas do robô, tais como o controlo tele- operado e o seguimento autónomo de pontos GPS. Possibilita também a fácil integração de módulos utilitários adicionais. Contudo, a robustez necessária à execução de tarefas de longa duração pode apenas ser conseguida com o suporte de um mecanismo de diagnóstico e recuperação de falhas adequado. Isto será explicado com mais detalhe na próxima secção.
Diagnóstico e Recuperação de Erros
O sistema de diagnóstico da presente invenção foi desenhado para recolher dados provenientes dos componentes de hardware e dos módulos de software com o propósito de efetuar análises, rastrear problemas e registar falhas. Este sistema encontra-se totalmente suportado pelo ROS, uma vez que este providencia, de uma forma normalizada, um
i conjunto de ferramentas para a recolha, publicação, análise e visualização de dados de diagnóstico. Em particular, todos os nós, sejam eles nativos do ROS ou desenvolvidos para a invenção, publicam mensagens ROS diagnostic_msgs/DiagnosticStatus no tópico respeitante ao diagnóstico do sistema, localizado em /diagnostics . Posteriormente, o nó nativo diagnostic_aggregator recolhe' as mensagens publicadas neste tópico, processando-as e categorizando-as , i.e., catalogando as mensagens por módulo de sistema, e republica-as no tópico respectivo tópico, /diagnostics_agg.
Este processo de agregação de mensagens por módulo permite facilitar a leitura dos dados de diagnóstico e agilizar o rastreio dos problemas detectados, tanto pelo sistema como pelo utilizador, através de uma ferramenta nativa do ROS criada para exibir visualmente e de forma legível as mensagens de diagnóstico. Contudo, esta ferramenta é bastante simples e genérica, não oferecendo qualquer possibilidade ao utilizador ou ao sistema de atuar diretamente sobre os processos a decorrer nos restantes nós, nomeadamente caso estes apresentem um comportamento instável ou se encontrem em falha. Por conseguinte, a invenção inclui uma interface gráfica personalizada onde cada módulo do sistema encontra-se representado por um ícone quadrangular colocado na sua posição física real sobre um modelo à escala da plataforma mecânica. O utilizador pode observar o estado de cada módulo através da cor das margens do ícone correspondente que, tomando como possíveis cores o verde, laranja, vermelho ou azul, designam os estados de bom {ok), em alerta, em erro ou obsoleto, respectivamente. O último estado corresponde ao caso em que o módulo deixou de publicar mensagens de diagnóstico. Quando o utilizador seleciona o ícone representado por uma lupa, é-lhe apresentado um relatório mais completo acerca dos problemas diagnosticados, bem como a possibilidade de desligar componentes individuais ou mesmo todo o sistema.
A ferramenta de diagnóstico incluída na invenção apoia a mecanismo de recuperação de erros. Este mecanismo intervém sempre que uma falha de sistema é reportada pelo diagnóstico, reduzindo portanto a necessidade de intervenção humana na fase de recuperação de erros. Por conseguinte, o recuperador de erros foi implementado como um nó ROS independente e incorporado na arquitetura do sistema de controlo. Este nó recolhe informação do nó diagnostic_aggregator e subscreve aos tópicos mais críticos do sistema, nomeadamente os que partilham dados sobre comandos de locomoção e comunicação com dispositivos de hardware . Isto permite não só controlar o estado de funcionamento de cada nó, mas também validar as ordens e comandos trocados entre nós. De facto, o recuperador de erros está ciente, a qualquer momento, dos parâmetros de segurança do sistema disponibilizados pela camada de repositório. Consequentemente, este nó tem a capacidade de agir como um filtro, limitando e impedindo a troca de comandos inválidos ou que possam afectar a segurança do sistema. Por exemplo, pode imaginar-se a situação em que um operador humano pretende mover o robô na sua velocidade máxima enquanto o diagnóstico reporta um problema de sobreaquecimento dos motores. Neste caso, o recuperador de erros intervém através da redução do valor permitido para a velocidade máxima do robô nos parâmetros de sistema, evitando deste modo uma potencial avaria dos motores (7) (8). Assim sendo, cada nó pode reportar falhas críticas locais (e.g., um controlador de dispositivo incapaz de comunicar com o componente de hardware respectivo) diretamente ao recuperador de erros, reduzindo desta forma o tempo de resposta'. Nesta situação, o recuperador de erros age sobre o sistema global (e.g., parando os movimentos do robô e colocando todos comandos de locomoção em estado de espera) por forma a tentar solucionar o problema (e.g., restaurando o dispositivo que está a causar a falha ou alterando as configurações do sistema) antes de requisitar qualquer intervenção humana.
Resultados
Por forma a se obter uma previsão sobre a resistência da estrutura mecânica da presente invenção, foram realizados testes de esforço recorrendo ao método de análise dos elementos finitos. Este método permitiu não só garantir que a estrutura se encontra em conformidade com os requisitos iniciais, mas também perceber até que ponto o robô será capaz de lidar com as adversidades do terreno. Para realizar esta análise, foi escolhida a ferramenta de simulação Autodesk Ansys. Os pontos críticos que foram alvo de análise, por serem potenciais pontos de ruptura do sistema, foram a junta central (2) que liga as duas caixas principais (1) (3) e os blocos de transmissão que suportam as rodas, sendo que no último caso os testes foram realizados em duas fases. No que diz respeito aos testes realizados à junta central (2)·, foram aplicadas quatro forças verticais sobre as caixas principais (1) (3) interligadas pela junta central (2) . Estas forças pretenderam simular a capacidade da estrutura para aguentar o peso das baterias, componentes eléctricos e electrónicos e restante carga adicional. A quantidade de variáveis envolvidas neste método torna difícil o processo de dimensionamento · dos valores corretos para análise, é normalmente utilizado, para resolver este problema, o critério de Von Mises que se baseia em combinar, numa tensão equivalente, as distorções provocadas pela energia de deformação do sólido, desenvolvidas nas várias direções possíveis. Os resultados mostram que o valor máximo da tensão equivalente de Von Mises foi apenas obtido em pontos infinitesimais. Por definição, a tensão equivalente é utilizada para compreender o comportamento da estrutura no seu geral. Em ambos os casos é possível observar que a estrutura se encontra longe do ponto de ruptura mecânica. O mesmo foi observado nos testes realizados aos blocos de transmissão e rodas, tanto aplicando forças verticais como laterais, no topo inferior da jante (4) .
Para além dos testes de resistência em simulação, foram executados também testes qualitativos do desempenho do sistema real em cenários típicos de uso. Para tal, o robô foi tele operado através de uma variedade de terrenos, incluindo pisos de cimento, asfalto, gravilha, relva, vegetação densa, terra batida e areia solta. Durante a execução destes testes, o robô foi capaz de se deslocar sem falhas, mostrando também a sua capacidade de se adaptar aos diversos tipos de terreno, superando com sucesso desníveis até 45° e obstáculos até 30 cm.
Forma preferencial de realização
Numa forma preferencial de realização da presente invenção, esta encontra-se equipada com uma junta central (2) passiva, cuja amplitude de rotação pode ser ajustada segundo valores pré-estabelecidos : a amplitude desejada pode ser obtida através da aplicação de um grampo mecânico, que limitará fisicamente a rotação do eixo para lá da amplitude correspondente. É necessária uma chave sextavada de 5 mm para efetuar a troca dos parafusos que fixam estes grampos .
A unidade da direção foi acoplada diretamente (sem limitador de binário (9)) com uma engrenagem redutora secundária (10) (11). Por forma a permitir o máximo desempenho possível, as engrenagens foram dimensionadas para o binário máximo disponibilizado no veio do motor Maxon EC45 136198 (0.965 Nm) para a redutora primária Maxon GP52 C 223593 (i=81). Na redutora secundária (10) (11), com uma relação de 2:1, as engrenagens são do tipo com dentes rectos, módulo 2, feitas de aço inoxidável temperado 37Cr4. Os dentes foram endurecidos para uma dureza mínima de 58 HRC. O binário máximo permitido disponível na roda é de aproximadamente 114 Nm em condições quase estáticas, correspondendo a uma força horizontal na ponta do pneu (5) cerca de 35 daN. A transmissão é totalmente reversível, permitindo- o posicionamento livre da roda com o motor desligado e sem freio, bem como o seu bloqueio uma vez alinhada longitudinalmente com o robô por intermédio de um trinco próprio para o efeito. O ângulo da roda pode ser detectado com um encoder absoluto (ref. ENA28F Megatron) . Todo o bloco da transmissão foi selado com um anel de borracha na base e na junção com o cubo da roda (16) . Uma furação M12xl,5 permite a passagem dos cabos de dados e alimentação para o encoder, utilizando um bucim M12 IP65 para permitir a impermeabilização do bloco.
0 robô apresenta uma largura máxima de 847 mm, incluindo os pneus (5) selecionados . A estrutura mecânica do robô é manufacturada quase na sua totalidade em liga de alumínio, o que corresponde a cerca de 84% do seu peso total, sendo que para os componentes soldados foi utilizada uma liga 6082-T6 e para os componentes maquinados foi utilizada uma liga 7075-T6.
As rodas estão dispostas de forma a maximizar a estabilidade do robô. A sua construção essencialmente simétrica permitiu mover o centro de massa da estrutura aproximadamente para o eixo central. A estrutura apresenta uma elevação ao solo de 204.3 mm na parte central e de 191.3 mm na zona dos braços de transmissão (6) (12). Estas cotas podem sofrer alterações dependendo da escolha de pneus, pressão dos mesmos e peso da carga transportada.
0 motor Maxon EC45 136210 apresenta uma velocidade angular nominal de 8380 rpm (9090 rmp em vácuo a 24 Vdc) . A redutora primária Maxon GP62A 110504 tem uma relação de ip=71, enquanto a redutora secundária (10) (11) apresenta uma redução de is=2, num total de ic=142. Com esta redução, a velocidade angular nominal de cada roda é cerca de 0.983 rps (0ext = 622.6 mm), correspondendo a uma velocidade nominal teórica de 6.925 km/h, com os pneus (5) especificados.
Em inclinações de 45° na direção do deslocamento, e com uma carga máxima de 115 kg (85 kg robô + 60/2 kg carga), tendo em conta a eficiência da redutora primária (70% máx.), da redutora secundária (10) (11) (cerca de 92%) e de algumas perdas devido ao atrito (aproximadamente 5%) , o binário necessário é maior que 0.66 Nm, correspondendo a uma velocidade aproximada de 2.3 km/h, segundo a curva de binário do motor. Contudo, o robô só deve ser sujeito a estas condições durante curtos períodos de tempo, pois os motores (7) (8) poderão apresentar sobreaquecimento.
O motor Maxon EC45 136210 permite desenvolver um binário máximo de 4.18 Nm, correspondente ao binário no veio exterior de cerca de 207 Nm, superior ao valor intermitente admitido de 75 Nm. Para tal, o desenho da transmissão permite ajustar o binário, sendo o máximo compatível com o desempenho reportado pela Maxon para a sua redutora. Nesta configuração, pode ser aplicado um binário máximo no veio de rotação de aproximadamente 150 Nm antes da intervenção do limitador, correspondente a uma força de tração de 46 daN, o que permite superar um obstáculo vertical a uma velocidade perto de zero e durante muito pouco tempo. A limitação do binário é feita atuando no parafuso presente no centro do cubo da roda (16) . Rodando o parafuso para a esquerda, com uma chave sextavada de 8 mm e aplicando um binário de 30 Nm, obtém-se a limitação mínima, ou seja um binário máximo permitido de 150 Nm. Rodando o parafuso no sentido contrário permite aumentar gradualmente o limitador (9), reduzindo o binário, até a roda se encontrar totalmente livre da ação do motor. Por forma a aumentar o desempenho, reduzindo no entanto a fiabilidade, pode ser colocado um espaçador (não fornecido na estrutura) no limitador (9) para desabilitar a sua função.
A carga típica transportada é de cerca de 60 daN, incluindo baterias. Contudo, o dimensionamento dos componentes da estrutura, verificada em 4g segundo a norma militar MIL- STD-1791, permite aumentar a carga ate 100 kg, com eventual diminuição de autonomia energética e desempenho.
Para permitir a elevação e suspensão da estrutura, foram criadas quatro furações 011 (14) nos braços superiores de transmissão (6) . Estas furações (14) permitem a montagem de olhais MIO. Cada grupo de direção permite o bloqueio da roda na posição em que esta se encontre alinhada longitudinalmente com a estrutura. Também, os cubos de roda (16) estão, equipados com sistemas de libertação mecânica das rodas permitindo que estas rodem livremente, sem estarem sujeitas à ação dos motores (7) (8) . As jantes de alumínio foram montadas nos cubos com parafusos de cabeça escareada de 6 mm. Todas as superfícies expostas da estrutura são suaves e arredondadas, sem arestas vivas.
A solução representada para o eixo central é fácil de configurar e muito resistente, podendo resistir a choques e impactos repetidos. A junta central (2) foi testada para uma carga vertical de 4x145 Kg (peso teórico = 85 kg estrutura + 60 kg baterias e carga adicional) , de acordo com a norma militar MIL-STD-1791. No seu interior, apresenta uma furação de 055 mm para permitir a passagem de cabos e conectores eléctricos. O seu ângulo de rotação pode ser medido por um encoder absoluto (ref. MAB25A Megatron) montado numa engrenagem com relação de 4:1 (Ml, 5 z72/zl8). A folga da engrenagem pode ser ajustada atuando nos parafusos, sendo necessária para tal tarefa uma chave sextavada de 5 mm. Por forma a vedar o sistema contra água e poeira, um anel de borracha está presente entre a haste central e o acoplamento exterior. Sempre que o conjunto necessitar de ser desmontado, deve ser aplicado um lubrificante à base de silicone, não lavável. Os mecanismos internos devem ser verificados periodicamente quanto à entrada de água ou poeira por forma a preservar a sua integridade . A estrutura mecânica do robô é composta por duas caixas hermeticamente (1) (3) fechadas e conectadas entre si com uma furação de 055 mm no eixo central para permitir a passagem de cabos eléctricos. Cada caixa (A e B) (1) (3) inclui uma gaveta suportada por encaixes de PVC para permitir a fácil troca de baterias. Para a abrir as gavetas, deve-se atuar nos 8 parafusos dispostos no perímetro da tampa, com uma chave sextavada de 4 mm. A gaveta pode ser removida até que a tampa apresente uma distância máxima à caixa de cerca de 250 mm; acima deste valor os encaixes deixam de conseguir suportar o peso da mesma. Antes de fechar a tampa, deve-se verificar que o anel vedante de borracha se encontra intacto e corretamente posicionado .
Todas as engrenagens encontram-se seladas em caixas metálicas, portanto fora de alcance a partir do exterior. As circunferências são lenticulares. Contudo, não foi possível segregar a área de ação das rodas.
A dimensão das caixas A e B permitem a inclusão, em cada uma, de uma bateria LiFeP04 de 24 V x 60 Ah (ref. RFE-8F60 ABM, dimensão 195X150x295 mm, 16 kg) . É, contudo, possível montar baterias com outras performances e formas desde que o seu volume envolvente não supere a dimensão interna das gavetas. Assumindo que:
• Eficiência mecânica máxima da transmissão = 63%;
• Coeficiente de atrito para superfícies planas, suaves e horizontais = 5%;
• Eficiência máxima do motor eléctrico = 85%;
• Eficiência máxima do controlador de motor = 85%; • Peso com carga máxima = 145 kg (85+60) .
O consumo de potência é de cerca de 350 W, o que corresponde a uma autonomia energética de cerca de 4 horas com apenas uma bateria (considerando as baterias mencionadas acima) . No entanto, este limite não pode ser alcançado considerando que a capacidade das baterias é calculada segundo um consumo energético de 20% do valor mencionado, isto é, 288 W no caso de baterias de 12 V.
As caixas A e B permitem a furação pelas laterais ou pelo topo com vista a serem colocados conectores estanques para permitir o carregamento das baterias. Esta operação pode ser efectuada convenientemente na altura da instalação das baterias .
A estrutura suporta até duas baterias que poderão ser ligadas independentemente (por exemplo uma para a potência e outra para alimentar os componentes electrónicos) , ou interligadas, entre si em paralelo ou série.
Com vista a proteger os componentes, foram colocados anéis de borracha nas seguintes localizações:
• Junta central (2);
• Engrenagem do bloco da direção;
• Tampas das gavetas incluídas nas caixas A e B.
Todos os rolamentos são do tipo 2RS (vedante de borracha e lubrificação permanente dupla) . Contudo, para reduzir as perdas por atrito durante a deslocação do robô, foram utilizados, vedantes elásticos (mástiques) na parte exterior dos cubos de roda (16), evitando também deste modo a necessidade de se colocarem anéis nos veios. Em caso de uso intensivo, é recomendado proteger a superfície dos rolamentos expostos com esmalte específico. As superfícies não pintadas foram galvanizadas.
Foram realizados testes envolvendo os componentes e a fiabilidade do seu dimensionamento. Particularmente, foram considerados os seguintes casos:
• O conjunto formado pela transmissão, direção e braços de suporte, incluindo as rodas;
• O conjunto formado pela junta central (2)e pelas caixas A e B (1) (3) .
Estas montagens foram sujeitas a cargas verticais típicas equivalentes ao máximo nominal (85 daN robô + 60 daN carga) multiplicado por 4, o equivalente a uma aceleração de 4g. O resultado confirma o redimensionamento generosamente acima do mínimo necessário. No primeiro caso, foi feito ainda um teste a uma carga horizontal na ponta inferior da jante (4), simulando colisão e capotamento, onde fói aplicada uma força de 3000 N numa área pequena. Mesmo nestas condições de tensão, o factor de segurança é maior que 1 nomeadamente , 1.236.
Informação adicional :
Comprimento L = 1529,6 mm considerando o diâmet ro das rodas*
LI = 931 mm distância entre as caixas A e B
L2 = 907,67 mm distância longitudinal entre eixos
L3 = 636 mm distância transversal entre eixos
Largura 847 mm considerando o diâmetro das rodas*
Altura 630 mm desde o topo dos motores Maxon EC45
136210* .
Elevação ao 204.3 mm no centro
solo 191.3 mm nos braços de transmissão
Rodas Jante 19' ' x 1, 6* 1
Pneu 70-19 para todo-o-terreno ( ichelin Starcross MH3 Júnior, velocidade máxima = 130 Km/h, carga máxima 42 = 150 Kg) , diâmetro máximo nominal = 622 mm
Peso 85 kg excluindo baterias e carga adicional
PERFORMANCE :
Potência de 1000 W (4x250 W)
tracção
Potência de 600 W (4x150 W)
direcção
Velocidade 7 Km/h
máxima
Inclinação 45° com carga de 30 kg (incluindo baterias) máxima
Carga máxima 60 kg de carga nominal (incluindo baterias ) ,
ou 100 kg de carga nominal (incluindo baterias) para inclinação máxima até 25°
Amplitude de -45° : +90°
rotação da
direção Amplitude de +/- 30° máximo, ajustável em passos de 10' rotação da
junta central
*Depende do tipo de pneus escolhido crição das figuras
Indicação dos n°s de referência
(1) Caixa A (p/bateria e encoder central);
(2) Junta central;
(3) Caixa B (p/bateria) ;
(4) Jante;
(5) Pneu (cardado) ;
(6) Braço de transmissão superior;
(7) Motor de direção;
(8) Motor de tração;
(9) Limitador de binário;
(10) Redutora secundária (tração) ;
(11) Redutora secundária (direção) ;
(12) Braço de transmissão inferior;
(14) Furações 011 mm para olhais M10;
(16) Cubo de roda.
Plataforma mecânica (vista isométrica)
Detalhe dos braços de transmissão.
Detalhe da junta central.
Detalhe da roda.
Detalhe da caixa B. Figura 6 - Detalhe da redutora secundária de direção. Figura 7 - Arquitetura de hardware.
Lisboa, 11 de Julho de 2013

Claims

REIVINDICAÇÕES Veículo todo-o-terreno robotizado e autónomo caracterizado por apresentar: a. sistema de locomoção formado por quatro rodas motrizes controladas independentemente tanto em direção como em tração, onde cada roda possui uma embraiagem manual; b. eixo longitudinal passivo; c. sistema de engrenagens seladas em caixas metálicas ; d. estrutura mecânica composta por duas caixas (1) (3) hermeticamente fechadas e conectadas entre si com uma furação no eixo central; e. junta central (2) a ligar caixas (1) (3) e os blocos de transmissão (6) (12) que suportam as rodas, os quais são selados com um anel de borracha na base e na junção com os cubos da roda (16) ; f . baterias; g. unidade de processamento principal composta por um computador industrial Intel Core i7 e arquitetura de software embutida; h. sensores para caracterização do ambiente em torno do robô; i. unidade de medição inercial composta por um conjunto de acelerómetros e giroscópios tridimensionais ; j . sistema de posicionamento global (GPS) integrado e unidade de medição bidimensional a laser, montada num suporte de variação de inclinação cíclica; k.anel de sensores ultrassónicos ;
1. unidade da direção acoplada com engrenagens redutoras secundárias (10) (11);
m. circuito fechado de vídeo com dois tipos de câmaras;
n. controlo de locomoção.
2. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar
a. engrenagens com dentes rectos, de aço inoxidável temperado;
b. binário máximo na roda de 114Nm;
c. furação para passagem dos cabos de dados e alimentação para o encoder;
d. rodas com construção simétrica com centro de massa da estrutura para o eixo central com elevação ao solo de 0.2043m na parte central e de 0.1913m na zona dos braços de transmissão (6) (12) ;
e. quatro furações (14) nos braços superiores de transmissão (6);
f . cubos de roda (16) com sistemas de libertação mecânica das rodas;
g. jantes de alumínio;
h. anel de borracha entre haste central e acoplamento exterior;
i. vedantes elásticos na parte exterior dos cubos de roda (16) .
3. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o circuito fechado de vídeo ser composto por dois sinais distintos um proveniente da agregação de um conjunto de pequenas câmaras analógicas, e o outro de uma câmara de vigilância.
4. Veiculo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o controlo de locomoção ser feito pelo centro de controlo portátil o qual engloba um computador portátil, um monitor, um par de joysticks .
5. Veiculo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o controlo de locomoção ser feito por um comando remoto de curto alcance.
6. Veiculo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar um conjunto de sensores para monitorização do nível das baterias e da temperatura, tensão aplicada e corrente consumida dos vários módulos de hardware .
7. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela estrutura mecânica ser de alumínio.
8. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada caixa (1) (3) da estrutura mecânica incluir uma gaveta suportada por encaixes de PVC.
9. Veículo de acordo com a reivindicação 6 caracterizado por as caixas (1) (3) apresentarem uma furação nas laterais ou, em alternativa, no topo.
Veículo de acordo com reivindicação 1, caracterizado por apresentar nhãs de diversas tensões disponíveis diretamente nos mesmos conectores utilizados para transmissão de dados.
11. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar uma largura máxima de 0,847m.
12. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as baterias serem ligadas independentemente ou interligadas entre si, em paralelo ou série.
13. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar anéis de borracha na junta central (2) , na engrenagem do bloco da direção e nas tampas das gavetas das caixas principais.
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