BionicMobileAssistant: sistema de robô móvel com mão de garra pneumática

BionicMobileAssistant

Sistema de robô móvel com mão de garra pneumática

O BionicMobileAssistant move-se autonomamente em três dimensões e consegue detetar objetos independentemente, adaptar a garra e trabalhar em conjunto com o ser humano. O processamento das informações recolhidas é realizado por uma rede neural previamente treinada com a ajuda do Data Augmentation.

No futuro, os operadores e os robôs trabalharão cada vez mais em conjunto. Por isso, na Festo trabalhamos intensamente com sistemas que poderiam auxiliar o ser humano como, por exemplo, em atividades monótonas ou perigosas e que, simultaneamente, não representam qualquer risco. A inteligência artificial desempenha aqui um papel central.

Sistema de assistência modular

Em cooperação com o ETH Zürich (Instituto Federal de Tecnologia de Zurique), foi criado o BionicMobileAssistant, que é composto por três subsistemas: um robô móvel, um braço robótico elétrico e a BionicSoftHand 2.0. A garra pneumática é inspirada na mão humana e é um desenvolvimento adicional da BionicSoftHand do ano 2019.

DynaArm: braço robótico dinâmico com alta densidade de potência

Com o DynaArm, um braço robótico elétrico, são possíveis movimentos rápidos e dinâmicos. Estes movimentos são garantidos pelo seu método de construção leve, com conjuntos de acionamento altamente integrados, com apenas um quilo. Nestes denominados DynaDrives, estão instalados num espaço muito confinado o motor, a engrenagem, o sistema eletrónico de controlo do motor e os sensores. Além disso, o braço possui uma alta densidade de potência, que, com um kW a 60 Nm de binário de acionamento, vai muito além do habitual dos robôs industriais.

Graças a uma regulação de força baseada em modelos e a algoritmos de regulação para compensação de efeitos dinâmicos, o braço consegue reagir bem a influências externas e, assim, interagir com muita sensibilidade com o seu ambiente. O braço é controlado por um Ballbot (robô de balanceamento de bola) através de um barramento de comunicação EtherCAT. Graças à sua estrutura modular, o DynaArm pode ser colocado rapidamente em funcionamento e a sua manutenção é fácil.

Ballbot: aplicação de robô móvel com atuador especial

O Ballbot é baseado num conceito de acionamento sofisticado: este equilibra-se numa esfera que é acionada por três rodas omni. Deste modo, o BionicMobileAssistant consegue fazer manobras em qualquer direção. O robô só toca no chão num ponto e consegue, assim, também, navegar por passagens estreitas. Para manter o equilíbrio, precisa estar em movimento continuamente. O planeamento e coordenação dos movimentos ocorrem através de algoritmos de planeamento e regulação, que são armazenados num potente computador no corpo do Ballbot.

A estabilidade do robô é realizada de forma puramente dinâmica: com influências externas, o Ballbot pode rodar rapidamente a esfera e, assim, manter o equilíbrio. Com a ajuda de uma unidade de medição inercial e de codificadores de posição nas rodas, este regista os seus movimentos e a inclinação relativa do sistema. Um programa de otimização usa estes dados para calcular como o robô e o braço se devem mover, para colocar a mão na posição de destino e, simultaneamente, para estabilizar o robô.

Sistema de assistência seguro: Ballbot, DynaArm e BionicSoftHand 2.0 em ação

Sistema de assistência seguro: Ballbot, DynaArm e BionicSoftHand 2.0 em ação

Os dedos da mão robótica pneumática são compostos por estruturas de foles flexíveis com câmaras de ar, revestidos com uma malha têxtil firme e, simultaneamente, flexível. Isto torna a mão leve, adaptável e sensível, mas, no entanto, capaz de exercer forças acentuadas. Assim como na BionicSoftHand do ano 2019, os dedos pneumáticos também são controlados através de um terminal de válvulas compacto com válvulas piezo, que é conectado diretamente à mão.

Garra sensível com tato

A mão usa uma luva com sensores de força táteis nas pontas dos dedos, na palma da mão e na parte externa da mão robótica. Desta forma, a mão consegue sentir a dureza do material a ser agarrado e quão bem ele fica na mão, e adaptar o seu poder de aderência, da mesma forma que os humanos, ao respetivo objeto. Além disso, existe uma câmara de profundidade no interior do pulso para deteção visual de objetos.

BionicSoftHand 2.0

Deteção de objetos através de uma rede neural

Com a ajuda das imagens da câmara, a mão robótica consegue reconhecer e agarrar vários objetos, mesmo se estes estiverem parcialmente cobertos. Depois do treino adequado, a mão também pode usar os dados adquiridos para avaliar os objetos e, deste modo, distinguir os bons dos defeituosos. As informações são processadas pela rede neural previamente treinada com a ajuda do Data Augmentation.

Conjuntos de dados abrangentes através do Data Augmentation

Para obter os melhores resultados possíveis, a rede neural necessita de muitas informações com base nas quais se possa orientar. Isto significa: quanto mais imagens de treino estiverem disponíveis, mais fiável se tornará. Uma vez que isto é, geralmente, moroso, providencia-se uma propagação automática da base de dados.

Este processo é designado de Data Augmentation. Devido a alterações marginais de menos imagens de origem, por exemplo, com diferentes contextos, condições de iluminação ou ângulos de visão e à sua multiplicação, o sistema recebe um conjunto de dados abrangente, com o qual pode trabalhar de forma autónoma.

Uso móvel em locais de mudança

O sistema possui todo o seu fornecimento de energia a bordo: a bateria do braço e do robô encontra-se no corpo. O cartucho de ar comprimido da mão pneumática está instalado no antebraço. Isto não só torna o robô móvel, como também permite que se mova autonomamente.

Os algoritmos armazenados no computador anfitrião também controlam os movimentos autónomos do sistema. Com o futuro em mente, planeiam a forma como o braço e a esfera se devem mover para alcançar determinados pontos-alvo, mantendo o equilíbrio. Com a ajuda de duas câmaras, o robô orienta-se autonomamente no espaço: uma câmara procura pontos fixos predefinidos na área circundante para se posicionar de forma ideal, enquanto uma segunda câmara usa a estrutura do teto para calcular o movimento.

A sua mobilidade e o fornecimento de energia autossuficiente permitem que o BionicMobileAssistant seja usado com flexibilidade para diferentes tarefas em locais diferentes, no sentido de uma produção em constante mudança.

Diversidade de opções de aplicação

O sistema seria ideal para ser usado como assistente direto do ser humano, por exemplo, como robô de serviço, como auxiliar na montagem ou para apoiar os operadores nos trabalhos ergonomicamente exigentes ou monótonos. Também poderia ser usado em ambientes nos quais os seres humanos não possam trabalhar, por exemplo, devido a perigos ou a acesso limitado.

De mãos dadas com o ser humano

Graças ao conceito modular, a BionicSoftHand 2.0 também pode ser montada rapidamente noutros braços robóticos e colocada em funcionamento. Em combinação com o BionicCobot ou o BionicSoftArm , a garra forma, por exemplo, um sistema de robô completamente pneumático que, graças à sua flexibilidade inerente, pode trabalhar de mãos dadas com o ser humano.