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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E
COMPUTAÇÃO
DESENVOLVIMENTO DE UMA CADEIRA DE RODAS
ROBÓTICA PARA TRANSPORTE DE PORTADOR
DE NECESSIDADES ESPECIAIS
Ivo Alves de Oliveira Neto
Orientador: Prof. Dr. Pablo Javier Alsina
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de
Computação da UFRN como parte dos requisitos para
obtenção do título de Mestre em Ciências de
Engenharia Elétrica.
Natal, RN, Janeiro de 2013
UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede
Catalogação da Publicação na Fonte
Oliveira Neto, Ivo Alves de.
Desenvolvimento de uma cadeira de rodas robótica para transporte
de portador de necessidades especiais. / Ivo Alves de Oliveira Neto. –
Natal, RN, 2013.
89 f. : il.
Orientador: Prof. Dr. Pablo Javier Alsina.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação Engenharia
Elétrica e da Computação.
1. Robótica - Dissertação. 2. Cadeira de rodas – robótica -
Dissertação. 3. Cadeias virtuais – Automação - Dissertação. 4.
Arquitetura paralela - Dissertação. 5. Mecatrônica - Dissertação. 6.
Necessidades especiais - Dissertação. 7. Acessibilidade – Dissertação.
I. Alsina, Pablo Javier. II. Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. III. Título.
RN/UF/BCZM CDU
621.865.8
A meus pais,
Renato Alves de Oliveira (em memória) e
Arcelina Carvalho de Oliveira.
Agradecimentos
Agradeço a Deus, todo poderoso, a Jesus Cristo e sua mãe, Maria, pela proteção e
apoio nas adversidades.
À minha esposa Waldicélia da Cruz Barbosa Alves, pelo seu apoio, carinho e
compreensão, e aos meus filhos, Ygor Barbosa e Yasmin Barbosa.
Aos pais da minha esposa, Valdeci Barbosa e Célia Barbosa, e aos seus irmãos e
irmãs, Wamberto Barbosa, Wandilma Barbosa, Walcélio Barbosa e Vanessa Barbosa.
Aos meus pais, Renato Alves (em memória) e Arcelina Carvalho, que sempre me
apoiaram e incentivaram o meu crescimento, fundamentais em minha vida.
Ao meu orientador e professor de Robótica, professor Dr. Pablo Javier Alsina, pela
paciência, pela sabedoria, pelas admiráveis horas reservadas à minha orientação; enfim, pelo
privilégio de ser seu orientando.
Aos meus irmãos Alisson Carvalho, Arlington Carvalho, Tânia Carvalho e ao meu
sobrinho Iury Carvalho.
A todos que colaboraram de forma direta e indireta com o meu sucesso, especialmente
aos professores Jobson Francisco, Marcílio Onofre, Tarcísio Coelho e aos amigos Ricardo
Mota e Georlando Muniz de Medeiros.
À CAPES, à SETEC, à UFRN e ao IFPB, por apoiarem o programa MINTER, de pós-
graduação. Ao professor Dr. José Bezerra de Menezes Filho, pela coordenação operacional do
MINTER.
Resumo
O objetivo da dissertação foi a realização da modelagem cinemática de uma cadeira de
rodas robótica usando cadeias virtuais, que permitiu modelar a cadeira como um conjunto de
braços manipuladores cooperativos formando uma cadeia cinemática paralela.
Foi desenvolvida uma cadeira de rodas robótica para transporte de portador de
necessidades especiais que supera obstáculos como desníveis e barreiras existentes à
acessibilidade em ruas e avenidas, incluindo o estudo sobre tecnologia assistiva, arquitetura
paralela, modelagem cinemática, construção e montagem do protótipo do robô com a
realização de uma lista de verificação de problemas e barreiras à acessibilidade em diversos
percursos, tomando como base normas, decretos e leis existentes.
Como resultado, foram realizadas simulações da cadeira em vários estados de
operação para realizar a tarefa de subir e descer desníveis com diferentes alturas, realizando o
controle proporcional baseado na cinemática. Para comprovar os resultados simulados foi
desenvolvido um protótipo do robô. Este projeto foi desenvolvido visando proporcionar uma
melhor qualidade de vida às pessoas portadoras de necessidades especiais.
Palavras-chave: Cadeira de Rodas Robótica, Cadeias Virtuais, Arquitetura Paralela,
Mecatrônica, Robótica, Automação, Necessidades Especiais, Acessibilidade.
Abstract
The objective of the dissertation was the realization of kinematic modeling of a robotic
wheelchair using virtual chains, allowing the wheelchair modeling as a set of robotic
manipulator arms forming a cooperative parallel kinematic chain.
This document presents the development of a robotic wheelchair to transport people
with special needs who overcomes obstacles like a street curb and barriers to accessibility in
streets and avenues, including the study of assistive technology, parallel architecture,
kinematics modeling, construction and assembly of the prototype robot with the completion
of a checklist of problems and barriers to accessibility in several pathways, based on rules,
ordinances and existing laws.
As a result, simulations were performed on the chair in various states of operation to
accomplish the task of going up and down stair with different measures, making the
proportional control based on kinematics. To verify the simulated results we developed a
prototype robotic wheelchair. This project was developed to provide a better quality of life for
people with disabilities.
Key Words: Robotic Wheelchair, Virtual Chain, Parallel Architecture, Mechatronics,
Robotics, Automation, Special Needs, Accessibility.
SUMÁRIO
Lista de Figuras ..................................................................................................................... iii
Lista de Tabelas ..................................................................................................................... vii
Lista de Símbolos e Abreviaturas ........................................................................................viii
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 1
1.1 Objetivo Geral ............................................................................................................ 2
1.2 Objetivos Específicos ................................................................................................. 2
1.3 Contribuição da dissertação ........................................................................................ 3
1.4 Organização do Trabalho ........................................................................................... 3
CAPÍTULO 2 TECNOLOGIA ASSISTIVA ..................................................................... 5
2.1 Introdução ................................................................................................................... 5
2.2 Tecnologia Assistiva .................................................................................................. 5
2.2.1 Conceito da Tecnologia Assistiva ...................................................................... 5
2.2.2 Classificação em categorias ................................................................................ 7
2.2.3 Interdisciplinaridade na TA ................................................................................ 7
2.2.4 Terminologia utilizada ........................................................................................ 8
2.2.5 Legislação Brasileira e TA ................................................................................. 9
2.2.6 Desenho Universal .............................................................................................. 10
2.2.7 Auxílio à mobilidade .......................................................................................... 11
2.3 Barreiras à acessibilidade ........................................................................................... 13
2.3.1 Lista de Verificação de Problemas ..................................................................... 13
2.4 Conclusão ................................................................................................................... 17
CAPÍTULO 3 MECANISMOS PARALELOS ................................................................... 18
3.1 Introdução ................................................................................................................... 18
3.2 Sistemas Robóticos ..................................................................................................... 18
3.3 Definição de Manipulador Paralelo ............................................................................ 21
3.3.1 Comparativo entre Manipuladores Paralelos e Seriais ....................................... 21
3.3.2 Estado da Técnica dos Robôs Paralelos .............................................................. 24
3.3.3 Classificação dos Robôs Paralelos ...................................................................... 29
3.3.3.1 Manipuladores com 3 Graus de Liberdade ................................................. 29
i
3.3.3.2 Manipuladores com 4 Graus de Liberdade ................................................. 31
3.3.3.3 Manipuladores com 5 Graus de Liberdade ................................................. 33
3.3.3.4 Manipuladores com 6 Graus de Liberdade ................................................. 33
3.3.3.5 Mecanismo Paralelo Híbrido ...................................................................... 37
3.4 Cadeia Virtual de Assur.............................................................................................. 37
3.4.1 Definição de Cadeia Virtual de Assur ................................................................ 37
3.4.2 Cadeia Virtual de Assur Plana PPR .................................................................... 38
3.4.3 Cadeia Virtual de Assur Plana RPR Mecanismos Paralelos............................... 39
3.5 Conclusão ................................................................................................................... 40
CAPÍTULO 4 ANÁLISE CINEMÁTICA ........................................................................... 40
4.1 Introdução ................................................................................................................... 40
4.2 Cadeira de Rodas Robótica ........................................................................................ 40
4.2.1 Descrição dos Estados de Operação da Cadeira de Rodas Robótica .................. 41
4.2.2 Descrição da Cadeira de Rodas Robótica ........................................................... 42
4.2.2.1 Simulação com o Work Model ........................................................................ 42
4.2.2.2 Protótipo .......................................................................................................... 44
4.3 Análise Cinemática e Modelagem do Sistema Robótico para Realizar o Controle de
Atitude .............................................................................................................................. 48
4.4 Controle Cinemático ................................................................................................... 51
4.5 Conclusão ................................................................................................................... 53
CAPÍTULO 5 RESULTADOS ............................................................................................ 54
5.1 Introdução ................................................................................................................... 54
5.2 Dimensões e Características do Protótipo referente à CRR ....................................... 54
5.3 Parâmetros utilizados no controle .............................................................................. 55
5.4 Gráficos da CRR com Desnível de 230 mm .............................................................. 55
5.5 Estado S5 de Operação da CRR com Desnível de 115 mm ....................................... 59
5.6 Atuação das Juntas d2r e d3f com Variação da Altura h ............................................ 60
5.7 Controle da Altura h ................................................................................................... 61
5.8 Controle do Ângulo .............................................................................................. 62
5.9 Conclusão ................................................................................................................... 64
CAPÍTULO 6 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ........................................... 65
6.1 Trabalhos Futuros ...................................................................................................... 66
REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 67
ii
Lista de Figuras
Figura 2.1 Cadeira de rodas motorizada Millenium ―C‖ (disponível em
http://www.freedom.ind.br, acessado em 15/11/2012)............................................................ 11
Figura 2.2 Cadeira de rodas i-REAL (Toyota).(disponível em http://www.toyota-
global.com/innovation/personal_mobility/i-real.html, acessado em 15/11/2012). ................. 11
Figura 2.3 Cadeira de rodas motorizada ibot 4000 vista de frente.
(disponível em www.ibotnow.com, acessado em 15/11/2012). .............................................. 12
Figura 2.4 Cadeira robótica desenvolvida por Murray Lawn e Takashi Takeda – Nagasaki
Institute, (IEEE, Vol. 20, No 5,1998) ...................................................................................... 12
Figura 3.1 Cadeia cinemática aberta (a) e fechada (b) (HESS-COELHO, 2005) .................. 19
Figura 3.2 Elementos de um sistema robótico (LARA, 2008). .............................................. 20
Figura 3.3 Estruturas cinemáticas: (a) robô de estrutura serial usado em soldagem
(KUKA Robotics); (b) manipulador paralelo com 6 graus de liberdade ................................. 21
Figura 3.4 Fresadora CNC Universal MH-700C MAHO. ..................................................... 22
Figura 3.5 Centro de usinagem ―VMC 135E‖ (RASZL e HESS-COELHO, 2005)... ........... 22
Figura 3.6 Esquema de estrutura robótica de cinemática paralela (HESS-COELHO, 2005). 23
Figura 3.7 Possivelmente o primeiro robô paralelo, patenteado em 1931 (US Patent No.
1,789,680). ............................................................................................................................... 25
Figura 3.8 (a) Projeto de Gough para testes de pneus de aeronaves (b) Versão moderna da
máquina com atuadores elétricos (Cortesia de Mike Beeson, Dunlop Tyres)......................... 25
Figura 3.9 Projeto de Stewart para simuladores de vôo (MERLET, 2006). .......................... 26
Figura 3.10 Estrutura paralela: (a) primeiro simulador de vôo desenvolvido por Claus Cappel
(1967), MERLET (2006); (b) simulador de treinamento ―MD-11‖,
(HESS-COELHO, 2008). ........................................................................................................ 26
Figura 3.11 Manipulador pega-e-põe IRB340 FlexPicker da ABB(HESS-COELHO,2005). 27
Figura 3.12 Robô DELTA aplicado na medicina (DELTA, 2006). ....................................... 27
Figura 3.13 Máquina-ferramenta paralela Cosmos Center PM-600
de 5 eixos da Okuma (MERLET, 2006b). ............................................................................... 27
Figura 3.14 Estrutura robótica paralela tripode Ulysses
da Fatronik, (RASZL e HESS-COELHO, 2005) .................................................................... 28
Figura 3.15 Simulador de vôo CAE 5000 (Canadian Aviation Electronics Ltd). .................. 28
Figura 3.16 Simulador automobilístico (Toyota). .................................................................. 29
Figura 3.17 Manipulador do telescópio UKIRT (Joint Astronomy Center). ......................... 29
iii
Figura 3.18 Pulso esférico de Gosselin (MERLET, 2006). .................................................... 30
Figura 3.19 Manipulador paralelo com 3 GDL misto usado
em simuladores de carros (MERLET, 2006). .......................................................................... 31
Figura 3.20 Manipulador paralelo com 3-GDL: (a) Universidade Laval Eye Agile. (b)
Tripteron (GOSSELIN, 2009; GOSSELIN C. KONG, 2002) ................................................ 31
Figura 3.21 Manipulador paralelo Tricept: (a) Esquema do manipulador Tricept
(NEUMANN,1988). (b) Tricept T606 de PKMtricept SL (PKM Tricept SL, 2009) .............. 32
Figura 3.22 Manipulador paralelo com 4 GDL utilizado como simulador de vôo (MERLET,
2006) ........................................................................................................................................ 32
Figura 3.23 Manipuladores paralelos H4 e I4 com 4-GDL: (a) Manipulador paralelo H4.
(b) Manipulador Paralelo I4 (PIERROT et al., 2006) ............................................................. 33
Figura 3.24 Detalhe da plataforma H4 no lado esquerdo e detalhe da plataforma I4 no lado
direito (PIERROT et al., 2006) ................................................................................................ 33
Figura 3.25 Manipulador paralelo com 5-GDL (MERLET, 2006). ....................................... 33
Figura 3.26 Manipuladores paralelos com 5-GDL propostos por Fang e Tsai
(FANG; Tsai, 2002): (a) 5-RRRRR. (b) 5-RPUR ................................................................... 34
Figura 3.27 Manipulador paralelo com 6-GDL tipo UPS (MERLET, 2006) ........................ 35
Figura 3.28 Manipulador Hexaglide: (a) Esquema do Hexaglide (MERLET, 2006).
(b) Implementação do Hexaglide como máquina ferramenta (MERLET, 2006) .................... 35
Figura 3.29 Manipulador paralelo com seis GDL tipo PUS, INRIA (MERLET, 2006) ........ 35
Figura 3.30 Manipulador com 6-GDL: (a) Esquema do manipulador Kohli’s
(MERLET,2006); (b) Uma variação do manipulador Kohli’s utilizando três pernas RPRS
(Chen, 2009) ............................................................................................................................ 36
Figura 3.31 Manipulador paralelo com 6 GDL tipo RUS (MERLET, 2006) ........................ 36
Figura 3.32 Diagrama cinemático de um mecanismo paralelo híbrido (CRAIG, 1999) ........ 37
Figura 3.33 Máquina-ferramenta híbrida Tricept 805 da SMT,
(RASZL e HESS-COELHO, 2005) ......................................................................................... 37
Figura 3.34 Cadeia virtual de Assur PPR ............................................................................... 38
Figura 3.35 Cadeia virtual de Assur RPR .............................................................................. 39
Figura 4.1 Modelagem cinemática da cadeira de rodas ......................................................... 40
Figura 4.2 Vista da cadeira com roda central e sistema robótico ........................................... 42
Figura 4.3 Estado S1: Cadeira no nível inferior com rodas dianteiras e traseiras no solo ..... 43
Figura 4.4 Estado S5: Acionamento das juntas prismáticas d2r e d3f para subir o desnível . 43
Figura 4.5 Estado S11: roda traseira apoiada no nível superior sobre o desnível, ou seja,
iv
iv
cadeira no nível superior com rodas dianteiras e traseiras em cima do desnível .................... 44
Figura 4.6 Estado S1: cadeira no nível inferior em aproximação com referência ao desnível
................................................................................................................................................. 44
Figura 4.7 Estado S1: cadeira no nível inferior com rodas dianteiras e traseiras no solo ...... 45
Figura 4.8 Estado S2: elevação da roda dianteira................................................................... 45
Figura 4.9 Estado S3: juntas rotacionais avançam a cadeira até a roda central atingir o
desnível .................................................................................................................................... 45
Figura 4.10 Estado S4: roda dianteira no nível superior, sobre o desnível ............................ 46
Figura 4.11 Estado S5: roda central se eleva para o nível superior até ficar suspensa no ar
com o auxílio das juntas prismáticas dianteira (d3f) e traseira (d2r)....................................... 46
Figura 4.12 Estado S7: roda central apoiada no nível superior sobre o desnível ................... 46
Figura 4.13 Estado S8: roda traseira se eleva para o nível superior ....................................... 47
Figura 4.14 Estado S9: roda traseira no nível superior .......................................................... 47
Figura 4.15 Estado S10: juntas rotacionais avançam a cadeira até a roda traseira ficar sobre o
desnível .................................................................................................................................... 47
Figura 4.16 Estado S11: cadeira no nível superior com rodas dianteiras e traseiras em cima
do desnível ............................................................................................................................... 48
Figura 4.17 Modelagem de dois sistemas robóticos independentes ....................................... 49
Figura 5.1 Dimensões do protótipo ........................................................................................ 54
Figura 5.2 Estado S2: d3f atuando de 497,60 mm para 726,70 mm ...................................... 56
Figura 5.3 Estado S5: d3f atuando de 767,60 mm para 497,60 mm e d2r atuando de 497,60
mm para 267,60 mm ................................................................................................................ 56
Figura 5.4 Estado S8: d2r atuando de ―-230mm‖ para ―0mm‖ .............................................. 57
Figura 5.5 Estado S14: d3f atuando de 497,60 mm para 267,60 mm .................................... 57
Figura 5.6 Estado S17: d2r atuando de 497,60 mm para 727,60mm ..................................... 58
Figura 5.7 Estado S17: d3f atuando de 267,60 mm para 497,60 mm .................................... 58
Figura 5.8 Estado S20: d2r atuando de 727,60 mm para 497,60 mm .................................... 59
Figura 5.9 Estado S5 com desnível de 115 mm: d3f atuando de 612,60 mm para 497,60 mm e
d2r atuando de 497,60 mm para 382,60 mm ........................................................................... 59
Figura 5.10 Gráfico com a variação da junta d2r para 397,60 mm e altura ―h‖ ..................... 60
Figura 5.11 Gráfico com a variação da junta d3f para 397,60 mm e altura ―h‖ ..................... 60
Figura 5.12 Gráfico com a variação da junta d2r para 597,60mm e altura ―h‖ ...................... 61
Figura 5.13 Gráfico com a variação da junta d3f para 597,60mm e altura ―h‖ ...................... 61
Figura 5.14 Gráfico com a variação da altura ―h‖ para um desnível de 115 mm .................. 62
v
Figura 5.15 Gráfico com a variação da altura ―h‖ para um desnível de 230 mm .................. 62
Figura 5.16 Gráfico com a variação do ângulo para um desnível de 115 mm ................. 63
Figura 5.17 Gráfico com a variação do ângulo para um desnível de 230 mm ........................... 64
vi
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 Tipos de Juntas (SUH;RADCLIFFE, 1978; TSAI, 2000) .................................... 19
Tabela 3.2 Comparação entre manipuladores seriais e paralelos (LARA, 2008) ................... 24
Tabela 4.1 Parâmetros Denavit-Hartemberg Braço Manipulador Traseiro ............................ 49
Tabela 4.2 Parâmetros Denavit-Hartemberg Braço Manipulador Dianteiro. ......................... 50
vii
Lista de Símbolos e Abreviaturas
C Controlador
CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
CRR Cadeira de rodas robótica
DCA Departamento de Engenharia da Computação e
Automação
d2r Junta prismática traseira
d3f Junta prismática dianteira
et al. Abreviação da locução latina et alii [ = e outros]
GDL Graus de liberdade
H Altura do desnível
h Altura da base da cadeira com relação ao centro da roda traseira
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
mm Milímetro
IFPB Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba
MINTER Programa de Apoio à Realização de Cursos de Pós-Graduação Stricto
Sensu Interinstitucionais
[modalidade Mestrado]
P Proporcional
PID Proporcional, Integral e Derivativo
PPgEEC Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação
TA Tecnologia Assistiva
UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte
viii
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
No mundo atual, os portadores de necessidades especiais enfrentam vários problemas
de acessibilidade em percursos urbanos, principalmente ocasionados pela falta de
atendimento às normas e leis que determinam a eliminação de barreiras que tendem a
dificultar o seu acesso.
A acessibilidade é garantida com base no que estabelece os artigos da NBR
9050/2004 (ABNT) e do Decreto 5296/2004 que regulamenta as Leis federais 10.048/2000 e
10.098/2000, atendendo pessoas com deficiência, mobilidade reduzida, idosos, gestantes,
obesos, entre outros.
Em função do nível atual da tecnologia robótica, que iniciou uma revolução na
indústria no século XX, torna-se possível desenvolver, pensar e criar soluções inovadoras
para superar os atuais problemas encontrados em nossa sociedade, em particular na área de
tecnologias assistivas.
Os robôs manipuladores são mecanismos reprogramáveis e multifuncionais,
projetados para manipular materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especializados por
meio de movimentos variáveis, programados para a realização de tarefas básicas até
complexas. O robô é utilizado em aplicações onde se exige: repetitividade, força, operações
de alto risco, rapidez e operações em áreas insalubres.
Na tentativa de imitar os movimentos do braço humano, os robôs manipuladores
foram construídos com atuadores e elos montados um após o outro, gerando uma única
cadeia cinemática aberta para movimentar o órgão terminal. Este tipo de estrutura cinemática
é denominado serial e está presente na maioria dos robôs industriais da atualidade.
Apesar deste tipo de estrutura ter alcançado um elevado grau de desenvolvimento, a
necessidade de operar com acelerações elevadas e grande precisão estimulou o
desenvolvimento de uma arquitetura alternativa, denominada paralela, que consiste de um
mecanismo de cadeia cinemática fechada onde uma plataforma móvel está conectada a uma
base fixa por pelo menos duas ou mais cadeias cinemáticas independentes. Este tipo de
mecanismo tem aplicações em diversas áreas, como por exemplo, simuladores de voo, robôs
manipuladores e medicina. Esta arquitetura não convencional apresenta, potencialmente,
uma série de vantagens se comparada à tradicional serial. Dentre elas podem ser citadas: alta
rigidez, leveza, rapidez, precisão e alta capacidade de carga.
2 CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
Dentro deste contexto, este trabalho propõe o desenvolvimento de uma cadeira de
rodas robótica para transporte de portador de necessidades especiais, com a realização do
modelamento e controle cinemático do sistema robótico com arquitetura paralela.
O sistema proposto permite superar obstáculos e barreiras à acessibilidade dos
portadores de necessidades especiais, onde serão analisados 22 problemas. Como exemplo,
temos como proposta a superação de desnível com 230 mm de altura mantendo o usuário na
posição horizontal, proporcionando maior segurança, conforto, bem estar e qualidade de vida
ao usuário.
1.1 Objetivo Geral
Neste trabalho foi desenvolvida uma cadeira de rodas robótica que sobe desníveis e
supera barreiras à acessibilidade com controle de inclinação em determinados limites,
mantendo o usuário na posição horizontal.
Foi proposta uma nova arquitetura robótica baseada em conhecimentos sobre
arquitetura paralela aplicada a uma cadeira de rodas robótica para uso ou aplicação por
portadores de necessidades especiais, incluindo: Análise de problemas de acessibilidade em
percursos urbanos, com foco na falta de atendimento às normas e leis que determinam a
eliminação de barreiras que tendem a dificultar este acesso. Neste contexto, foi realizado:
a. Estudo em ambiente de simulação, visando obter uma certificação ou
validação dos conhecimentos teóricos com os resultados práticos.
b. Desenvolvimento do sistema robótico e comparação dos benefícios com
soluções existentes.
c. Montagem de protótipo para verificações, estudos e análises.
Espera-se que o sistema proposto resulte na melhoria da qualidade de vida das
pessoas portadoras de necessidades especiais.
1.2 Objetivos específicos
Análise de problemas referentes à acessibilidade em percursos urbanos, com foco
na falta de atendimento às normas e leis que determinam a eliminação de barreiras
que tendem a dificultar o acesso do pedestre no seu deslocamento, comparando
com o sistema robótico proposto.
Projeto, desenvolvimento, aquisição de componentes e montagem do protótipo
referente ao robô, para uso por portadores de necessidades especiais;
3 CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
Modelagem cinemática e controle do sistema robótico.
Comparação dos benefícios do sistema robótico proposto.
Estudo em ambiente de simulação.
Simulação do controle proporcional.
Levantamento de dados em testes experimentais, com obtenção e registro dos
resultados;
Desenvolvimento de um sistema robótico de baixo custo, utilizando como base
conhecimentos sobre arquitetura paralela.
1.3 Contribuição da dissertação
A principal contribuição da dissertação é a realização da modelagem cinemática
usando cadeias virtuais, que permite modelar a cadeira como um conjunto de braços
manipuladores cooperativos, formando uma cadeia cinemática paralela para transporte de
portadores de necessidades especiais que supera obstáculos e barreiras existentes à
acessibilidade.
1.4 Organização do Trabalho
No Capítulo 2, apresenta-se uma revisão sobre tecnologia assistiva (TA), onde inicia-
se com o conceito de tecnologia assistiva, sua classificação em categorias, interdisciplinaridade
na TA, terminologia utilizada, legislação brasileira , desenho universal e auxílio à mobilidade.
Neste capítulo também apresenta-se uma lista de barreiras à acessibilidade, com uma lista de
verificação de problemas.
No Capítulo 3, é apresentada uma revisão bibliográfica a respeito de mecanismos
paralelos, com o objetivo de obter uma fundamentação teórica sobre o tema. Apresenta-se
uma introdução a sistemas robóticos, definição de manipulador paralelo, comparativo entre
manipuladores paralelos e seriais, estado da técnica dos robôs paralelos, classificação dos
robôs paralelos, manipuladores com 3 até 6 graus de liberdade, mecanismo paralelo híbrido,
assim como o conceito de cadeia virtual.
No capítulo 4, apresenta-se a análise cinemática e modelagem da cadeira de rodas
robótica visando realizar o controle proporcional baseado na cinemática, suas características,
descrição dos estados de operação da cadeira.
4 CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
No capítulo 5, são apresentados os resultados da simulação, dimensões e
características da cadeira de rodas robótica.
No capítulo 6, apresentam-se as conclusões e sugestões referentes a futuros trabalhos
que podem ser realizados.
Posteriormente, são apresentadas as referências bibliográficas.
CAPÍTULO 2
TECNOLOGIA ASSISTIVA
2.1 Introdução
Neste capítulo é apresentada uma revisão bibliográfica a respeito do tema desta
dissertação com o objetivo de obter uma fundamentação teórica sobre tecnologia assistiva,
barreiras à acessibilidade e robótica assistiva.
2.2 Tecnologia Assistiva
Tecnologia Assistiva (TA) é um termo utilizado para identificar os recursos e serviços
que proporcionam ou ampliam habilidades funcionais de pessoas portadores de deficiência,
promovendo sua inclusão e independência.
A evolução tecnológica proporciona melhoria na qualidade de vida, facilitando o
desempenho de várias atividades desenvolvidas pelos seres humanos.
O conceito de TA é baseado na seguinte citação:
“Para as pessoas sem deficiência, a tecnologia torna as coisas mais fáceis.
Para as pessoas com deficiência, a tecnologia torna as coisas possíveis.”
(RADABAUGH, 1993)
Os autores Cook e Hussey definem a TA citando o conceito do ADA – American with
Disabilities Act, como:
“uma ampla gama de equipamentos, serviços, estratégias e práticas
concebidas e aplicadas para minorar os problemas funcionais
encontrados pelos indivíduos com deficiências”. (COOK & HUSSEY,
1995)
Desta forma, a TA promove o aumento da habilidade funcional de pessoas com
deficiência ou permite realizar uma função desejada que não possa ser realizada em função de
uma deficiência ou pelo envelhecimento.
Portanto, a TA permite a pessoa portadora de deficiência uma melhor qualidade de
vida, inclusão social e independência, realizando melhorias em sua mobilidade, comunicação,
ambiente, trabalho e educação.
2.2.1 Conceito de Tecnologia Assistiva
Em 16 de novembro de 2006, a Secretaria Especial dos Direitos Humanos da
Presidência da República - SEDH/PR, através da portaria nº 142, instituiu o Comitê de Ajudas
6 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
Técnicas - CAT, com o objetivo de reunir especialistas brasileiros e representantes de órgãos
governamentais.
Principais objetivos do CAT: fazer um levantamento dos recursos humanos que
trabalham com o tema; apresentar propostas de políticas governamentais e parcerias entre a
sociedade civil e órgãos públicos referentes à área de tecnologia assistiva; estruturar as
diretrizes da área de conhecimento; detectar os centros regionais de referência, objetivando a
formação de rede nacional integrada; estimular nas esferas federal, estadual, municipal, a
criação de centros de referência; propor a criação de cursos na área de tecnologia assistiva,
bem como o desenvolvimento de outras ações com o objetivo de formar recursos humanos
qualificados e propor a elaboração de estudos e pesquisas relacionados com o tema da
tecnologia assistiva (http://www.sedh.gov.br, acesso em 10/09/2012).
O CAT realizou uma revisão no referencial teórico internacional, pesquisando os
termos Tecnologia Assistiva, Tecnologia de Apoio, Ajudas Técnicas, Ayudas Tecnicas,
Assistive Technology e Adaptive Technology.
Segue a afirmação do Secretariado Nacional para a Reabilitação e Integração das
Pessoas com Deficiência (SNRIPD) de Portugal:
“Entende-se por ajudas técnicas qualquer produto, instrumento, estratégia,
serviço e prática utilizada por pessoas com deficiência e pessoas idosas,
especialmente, produzido ou geralmente disponível para prevenir, compensar,
aliviar ou neutralizar uma deficiência, incapacidade ou desvantagem e
melhorar a autonomia e a qualidade de vida dos indivíduos.”
Com base nesta afirmação o desenvolvimento das habilidades de pessoas portadoras
de deficiência supera o simples conceito de desenvolvimento de um produto.
Uma comissão de países da União Europeia propôs o documento "Empowering Users
Through Assistive Technology" - EUSTAT, onde afirma:
“... em primeiro lugar, o termo tecnologia não indica apenas objetos físicos,
como dispositivos ou equipamentos, mas antes se refere mais genericamente a
produtos, contextos organizacionais ou modos de agir, que encerram uma
série de princípios e componentes técnicos.”
(EUROPEAN COMMISSION - DGXIII, 1998)
A legislação dos Estados Unidos citam a TA:
“Recursos são todo e qualquer item, equipamento ou parte dele, produto ou
sistema fabricado em série ou sob-medida utilizado para aumentar, manter ou
melhorar as capacidades funcionais das pessoas com deficiência. Serviços são
7 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
definidos como aqueles que auxiliam diretamente uma pessoa com deficiência
a selecionar, comprar ou usar os recursos acima definidos.” (ADA -
American with Disabilities ACT 1994)
Com base nestas informações, entre outros documentos, foi aprovado pela CAT em 14
de dezembro de 2007, o conceito:
“Tecnologia Assistiva é uma área do conhecimento, de característica
interdisciplinar, que engloba produtos, recursos, metodologias, estratégias,
práticas e serviços que objetivam promover a funcionalidade, relacionada à
atividade e participação, de pessoas com deficiência, incapacidades ou
mobilidade reduzida, visando sua autonomia, independência, qualidade de
vida e inclusão social.” (CORDE – Comitê de Ajudas Técnicas – ATA VII)
2.2.2 Classificação em categorias
A organização dos recursos de tecnologia assistiva ocorre com base nos objetivos
funcionais. A ISO 9999/2002 é utilizada como referência em vários países, para realizar a
classificação internacional de recursos para TA.
Segue uma classificação em categorias, como exemplo, elaborada com base em outras
classificações existentes: auxílios para a vida diária e vida prática; comunicação aumentativa
e alternativa; recursos de acessibilidade ao computador; sistemas de controle de ambiente;
projetos arquitetônicos para acessibilidade; órteses e próteses; adequação postural; auxílios de
mobilidade; auxílios para cegos ou para pessoas com visão subnormal; auxílios para pessoas
com surdez ou com déficit auditivo; adaptações em veículos.
2.2.3 Interdisciplinaridade na TA
A TA não atende a uma área específica, como a tecnologia médica que atua na
avaliação terapêutica da saúde ou tecnologia educacional que realiza o ensino e a
aprendizagem, tornando-se um recurso do usuário e não o recurso de uma área específica. A
TA atende a pessoa portadora de deficiência ou portadora de necessidades especiais
satisfazendo o desempenho de uma função específica em seu cotidiano, para que realize esta
função de forma independente. Como exemplo, uma cadeira de rodas atende uma pessoa que
possui alguma deficiência física permanente ou temporária.
Portanto, teremos diferentes profissionais atuando nos serviços de TA, em função de
cada modalidade específica, onde poderemos encontrar professores, médicos, arquitetos,
8 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
fisioterapeutas, psicólogos, engenheiros, tecnólogos, inventores, pesquisadores, entre outros
profissionais.
A área de TA desenvolve na maioria dos casos, projetos e soluções específicas em
função de cada usuário de serviço de TA, atendendo suas necessidades funcionais pessoais,
tomando como base as habilidades existentes do usuário. Somente uma equipe interdisciplinar
de TA poderá encontrar soluções, logrando o êxito necessário.
2.2.4 Terminologia utilizada
No Brasil são utilizadas as seguintes terminologias: tecnologia assistiva, ajudas
técnicas, tecnologia de apoio. No meio acadêmico encontramos o termo tecnologia assistiva.
Este termo é utilizado nos cursos de graduação, extensão universitária, especialização,
mestrado e doutorado.
O Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação do Brasil através da Secretaria de
Ciência e Tecnologia para Inclusão Social realiza chamadas públicas com apoio a projeto de
tecnologias social e assistiva utilizando o termo Tecnologia Assistiva, visando à criação de
uma rede de Núcleos de Tecnologia Assistiva coordenada pelo Centro Nacional de Referência
em Tecnologia Assistiva.
Na legislação brasileira (Decretos 3.298/1999 e 5.296/2004), aparece o termo ajudas
técnicas.
O Ministério da Educação do Brasil lançou o ―Portal de Ajudas Técnicas‖ e nele
apresenta vários recursos interessantes à educação de alunos com deficiência, na área de
material pedagógico adaptado I e II, da Comunicação Alternativa e Recursos de
Acessibilidade ao Computador.
Em 2006 a SEESP/MEC publica o documento Sala de Recursos Multifuncionais:
Espaço de Atendimento Educacional Especializado afirmando:
“Tecnologia assistiva é um termo recentemente inserido na cultura
educacional brasileira...” (BRASIL, MEC/SEESP 2006)
A SEESP/MEC propõe que estas Salas de Recursos Multifuncionais sejam espaços
para o serviço de tecnologia assistiva, voltados à inclusão dos alunos com deficiência na
escola comum.
Em agosto de 2007, o CAT/ SEDH / PR aprovou o termo Tecnologia Assistiva como
sendo o mais adequado e passa a utilizá-lo em toda a documentação legal.
2.2.5 Legislação Brasileira e TA
9 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
O cidadão com deficiência tem concessão de recursos de tecnologia assistiva,
conforme legislação brasileira. Porém verificamos que será necessária uma nova estruturação
para que estes recursos realmente sejam disponibilizados. Até mesmo em termos de pesquisa,
poucos incentivos foram disponibilizados até o momento para a área de TA.
Podemos mencionar a promulgação do Decreto 3298 de 1999, que no artigo 19
menciona o direito do cidadão brasileiro com deficiência às Ajudas Técnicas:
“Consideram-se ajudas técnicas, para os efeitos deste Decreto, os elementos
que permitem compensar uma ou mais limitações funcionais motoras,
sensoriais ou mentais da pessoa portadora de deficiência, com o objetivo de
permitir-lhe superar as barreiras da comunicação e da mobilidade e de
possibilitar sua plena inclusão social.
Parágrafo único. São ajudas técnicas:
I - próteses auditivas, visuais e físicas;
II - órteses que favoreçam a adequação funcional;
III - equipamentos e elementos necessários à terapia e reabilitação da pessoa
portadora de deficiência;
IV - equipamentos, maquinarias e utensílios de trabalho especialmente
desenhados ou adaptados para uso por pessoa portadora de deficiência;
V - elementos de mobilidade, cuidado e higiene pessoal necessários para
facilitar a autonomia e a segurança da pessoa portadora de deficiência;
VI - elementos especiais para facilitar a comunicação, a informação e a
sinalização para pessoa portadora de deficiência;
VII - equipamentos e material pedagógico especial para educação,
capacitação e recreação da pessoa portadora de deficiência;
VIII - adaptações ambientais e outras que garantam o acesso, a melhoria
funcional e a autonomia pessoal; e
IX - bolsas coletoras para os portadores de ostomia.” (LIMA, 2007)
O decreto 5296 de 2002 prioriza o atendimento, estabelecendo normas gerais e
critérios básicos para a promoção da acessibilidade das pessoas com deficiência ou com
mobilidade reduzida. Existe um capítulo específico sobre as ajudas técnicas (VII) onde
descreve várias intenções governamentais na área da tecnologia assistiva, além de referir à
constituição do CAT/SEDH. Consta no decreto:
“Consideram-se ajudas técnicas os produtos, instrumentos, equipamentos ou
tecnologia adaptados ou especialmente projetados para melhorar a
10 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
funcionalidade de pessoas portadoras de deficiência, com habilidade reduzida
favorecendo autonomia pessoal, total ou assistida”. (LIMA, 2007)
Portanto o decreto existe, porém como ter acesso aos recursos e obter os benefícios
não é de conhecimento dos maiores interessados.
O Sistema Único de Saúde - SUS concede cadeiras de rodas, órteses, próteses,
aparelhos auditivos, palmilhas e vários outros equipamentos, tomando como base uma tabela
prefixada de equipamentos.
O INSS também concede tecnologia assistiva sem restrições, seguindo orientação no
sentido de capacitar o indivíduo para o trabalho.
Alunos com deficiência devidamente matriculados na rede pública de ensino podem
ter do Estado os recursos de TA necessários à sua participação ativa no processo de
aprendizado. Propostas da Secretaria de Educação Especial do MEC ou projetos específicos
desenvolvidos pelo município estão sendo realizados com sucesso.
O Estado precisa esclarecer melhor a população sobre seus direitos, principalmente
referentes a TA, realizar maior auxílio à pesquisa, liberar linhas específicas de crédito para a
indústria nacional, deduzir valores pagos por equipamentos TA no imposto de renda,
promover a isenção de tributos de importação, reduzir impostos que incidem nestes produtos e
conceder recursos aos usuários de TA, independente de tabelas que limitam os usuários sem
conhecer sua real necessidade ou dificuldade.
Qualificar equipes específicas e multidisciplinares também é necessário.
2.2.6 Desenho Universal
O Decreto N° 5.296 de 2004 apresenta o conceito do ―Desenho Universal‖
considerado neste documento legal como:
“concepção de espaços, artefatos e produtos que visam atender
simultaneamente todas as pessoas, com diferentes características
antropométricas e sensoriais, de forma autônoma, segura e confortável,
constituindo-se nos elementos ou soluções que compõem a acessibilidade.”
(LIMA, 2007)
Este conceito é essencial às novas soluções de engenharia com referência a edificações
e principalmente relacionada aos produtos desenvolvidos.
11 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
2.2.7 Auxílio à mobilidade
A mobilidade do usuário pode ser auxiliada por bengala, muleta, andador, carrinho,
cadeira de roda manual ou elétrica e qualquer outro veículo, equipamento ou estratégia
utilizada na melhoria da mobilidade pessoal.
Conforme pesquisas realizadas, foram encontradas cadeiras de rodas fabricadas pelas
empresas Freedom conforme Figura 2.1 (disponível em http://www.freedom.ind.br) e Toyota
conforme Figura 2.2 (disponível em http://www.toyota-
global.com/innovation/personal_mobility/i-real.html). Estas cadeiras de rodas elétricas não
possibilitam subir ou descer um desnível automaticamente.
Figura 2.1 Cadeira de rodas motorizada Millenium ―C‖(Freedom).
(disponível em http://www.freedom.ind.br, acessado em 15/11/2012).
A cadeira de rodas motorizada Millenium "C" é confortável, possui banco anatômico
revestido em couro ecológico, bonito design e proporciona ao usuário mobilidade, praticidade
e segurança.
Figura 2.2 Cadeira de rodas i-REAL (Toyota).(disponível em http://www.toyota-
global.com/innovation/personal_mobility/i-real.html, acessado em 15/11/2012).
Cadeira de rodas i-REAL desenvolvida pela Toyota tomou como base a tecnologia
automotiva para realizar o seu desenvolvimento.
Existe a cadeira ibot 4000, moderna e avançada, que possibilita subir ou descer
desníveis, conforme Figura 2.3 (disponível em www.ibotnow.com).
12 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
Figura 2.3 Cadeira de rodas motorizada ibot 4000 vista de frente.
(disponível em www.ibotnow.com, acessado em 15/11/2012).
Também foi analisada cadeira desenvolvida por Murray Lawn e Takashi Takeda do
Nagasaki Institute, conforme Figura 2.4.
Figura 2.4 Cadeira robótica desenvolvida por Murray Lawn e
Takashi Takeda – Nagasaki Institute, (IEEE, Vol. 20, No 5,1998).
Esta característica particular despertou o interesse do presente trabalho: a
impossibilidade de subir um único desnível, uma simples calçada na rua para as cadeiras
simples; custo e tecnologia da cadeira existente, que consegue subir uma escada; inexistência
13 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
de controle de inclinação simples. Posteriormente, com a apresentação do protótipo, maiores
informações sobre estes projetos e soluções serão fornecidas.
2.3 Barreiras à acessibilidade.
O Programa Brasileiro de Acessibilidade Urbana tem diversas orientações sobre barreiras
à acessibilidade, classificando as barreiras em físicas, tecnológicas e atitudinais.
As barreiras físicas são os elementos físicos de qualquer natureza, ou seja, produzidos ou
naturais, existentes dentro ou fora das edificações. Os espaços fora das edificações são internos
aos lotes e espaços de uso comum as mesmas.
São exemplos de barreiras físicas: balcão de atendimento alto, dificultando o atendimento
para pessoas de baixa estatura e inacessível a uma pessoa em cadeira de rodas; orelhão alto;
produto e preço do mesmo exposto em local alto ou baixo; estacionamentos reservados para
veículos que conduzam pessoas com deficiência com piso totalmente inadequado para a
circulação de cadeiras de rodas; estabelecimentos com escadarias sem inclusão de rampas,
impedindo o acesso do usuário de cadeira de rodas; entre outros.
Barreiras tecnológicas constituem obstáculos gerados pelo não atendimento às normas
existentes ou a inexistência de normas que poderíamos considerar como essenciais e corretas para
a existência de uma sociedade que respeita todos os seus indivíduos, acreditando em seu
crescimento e evolução. Alguns avanços tecnológicos e instalações não atendem as limitações
motoras de algumas pessoas, impondo limites e restrições aos espaços, objetos, equipamentos,
deslocamento, entre outras condições e adversidades impostas.
Barreiras atitudinais ocorrem em função das atitudes das pessoas, com ações adotadas que
bloqueiam a acessibilidade, provenientes de funcionários, profissionais liberais, comerciantes ou
qualquer indivíduo da sociedade, devido a sua ignorância, desconhecimento ou descaso,
impedindo o acesso, permanência, manuseio ou livre deslocamento das pessoas com mobilidade
reduzida a diversos locais de uso comum ou na realização de outra atividade social a qual quer
realizar, participar ou contemplar. Posso citar como exemplo as lojas e repartições públicas que
não possuem acesso para usuários de cadeira de rodas.
2.3.1 Lista de Verificação de Problemas
O foco da lista está na falta de atendimento às normas e leis que determinam a
eliminação de barreiras que tendem a dificultar o acesso do usuário portador de necessidade
especial. Foram identificados os tipos de barreira existentes, buscando elementos que
subsidiaram nossa proposta, tomando por base artigos da NBR 9050/2004 (ABNT) e do
Decreto 5296/2004 que regulamenta as Leis federais 10.048/2000 e 10.098/2000, que
14 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
estabelecem os critérios básicos para garantir a acessibilidade às pessoas com deficiência,
mobilidade reduzida, idosos, gestantes, obesos, entre outros. Após análise como esses
obstáculos afetam a acessibilidade dos usuários, a solução robótica foi adequada para superar
as barreiras que vão de encontro às normas, suscitando assim condições de acessibilidade aos
usuários, portadores de necessidades especiais.
Foi realizada a seguinte lista de verificação de problemas e barreiras à acessibilidade
em percursos urbanos:
1) É necessária uma faixa de travessia como extensão da rampa de rebaixamento da
calçada nas seções de via onde houver demanda de travessia. Porém nem sempre
existe a faixa ou quando existe, se encontra em local inadequado, sem fazer a
extensão da rampa. A cadeira robótica proposta pode descer em um local da
avenida sem a rampa de rebaixamento para atravessar em cima da faixa de
travessia.
2) Inexistência na maioria das calçadas de piso antiderrapante, firme, regular e
estável em qualquer condição climática. Com a cadeira robótica proposta o
usuário pode se sentir seguro na maioria dos pisos irregulares.
3) É permitida uma inclinação no piso igual a 2% para pisos internos, 3% para pisos
externos e 5 % para inclinação longitudinal. Inclinações superiores a 5% são
consideradas rampas. Porém estes valores não são cumpridos na grande maioria
dos pisos. A cadeira robótica proposta possibilita uso com inclinação transversal
de 34,94 e inclinação longitudinal de 14,48.
4) Desníveis existentes no piso de até 5 mm não demandam tratamento especial.
Porém desníveis entre 5 e 15 mm devem ser tratados como rampa. Desníveis
superiores a 15 mm devem ser considerados degraus. Com este robô, estes
desníveis são compensados e controlados até o limite longitudinal ou transversal
de 230 mm.
5) Vãos das grelhas e juntas de dilatação existentes nos perímetros urbanos podem
possuir dimensões superiores ao máximo permitido de 15 mm. A roda do robô
utilizada tem dimensão superior a 15 mm.
15 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
6) Desnível existente nas tampas e caixas de inspeção de acesso à infraestrutura, com
desnível máximo admissível igual a 15 mm. Nesta proposta, ocorre compensação e
controle quando o robô passa por tampas e caixas de inspeção de acesso à
infraestrutura quando estas se encontram fora do nível máximo admissível até o
limite longitudinal ou transversal de 230 mm.
7) Saliências existentes nas tampas de acesso à infraestrutura. A roda utilizada nesta
solução protege o robô contra eventuais saliências.
8) A inclinação transversal das calçadas, passeios e vias exclusivas não devem ser
superiores a 3%. Porém na prática verificamos calçadas bastante irregulares, que
causam medo nos usuários e podem inclusive causar incidentes e acidentes. Com
esta solução ocorre a compensação automática do desnível transversal até o limite
34,94.
9) A inclinação longitudinal de rampas de acesso, calçadas, passeios e vias exclusivas
de pedestres devem ser no máximo de 8,33%. Porém na prática, verificamos que
este valor é superior. Ocorre compensação da inclinação longitudinal nesta
aplicação até o limite de 14,48.
10) Quando existem obras no passeio, deve ser assegurada uma largura mínima de
1,20m para circulação. Caso não ocorra esta largura mínima, deve-se construir
uma rampa provisória com largura mínima de 1m e inclinação máxima de 10%.
Na prática, verificamos diversas obras irregulares. Esta solução proposta ajudaria a
contornar estes casos, verificando outras condições mais favoráveis para realizar a
passagem pela obra.
11) No caso de faixa elevada no decorrer do perímetro, a declividade transversal deve
ser de no máximo 3%. Porém, na prática, verificamos algumas irregularidades.
Esta solução proposta compensa esta condição de declividade transversal,
conseguindo compensar 34,94 de declividade transversal.
12) Na faixa de travessia deve ocorrer rebaixamento nos passeios em ambos os lados
da via e nivelamento entre o término do rebaixamento da calçada e o leito
carroçável. Caso não ocorra o nivelamento, o robô compensa a irregularidade neste
local.
16 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
13) Nem sempre a largura do rebaixamento tem o limite mínimo exigido de 1,20m.
Com este robô pode-se buscar alternativas nos espaços ao redor do rebaixamento.
14) Pode ocorrer falha quando a largura da calçada não é suficiente para acomodar o
rebaixamento, com largura mínima de 1,50m e rampas laterais com inclinação
máxima de 8,33%. Com este robô pode-se buscar alternativas nos espaços ao redor
para superar o problema.
15) Nem sempre os rebaixamentos das calçadas localizados em lados opostos estão
alinhados entre si. Com este robô pode-se buscar alternativas nos espaços ao redor
para superar o problema.
16) As abas laterais dos rebaixamentos devem possuir inclinação máxima de 10%.
Caso supere o valor máximo, o robô compensa esta irregularidade até o limite
inclinação transversal de 34,94 e inclinação longitudinal de 14,48.
17) Existência de desnível e inexistência da rampa ou equipamento eletromecânico no
acesso do passeio público à entrada das edificações e equipamentos urbanos. Este
robô poderá buscar alternativas nos espaços ao redor do problema.
18) Os telefones públicos podem dificultar o uso por portadores de necessidades
especiais que utilizam cadeira de roda. Com esta solução, o robô eleva o usuário,
possibilitando utilizar qualquer telefone público existente.
19) Botões existentes para acionar semáforos em nível elevado. Botões poderão ser
acionados mais facilmente, devido à elevação do usuário pelo robô.
20) Tempo pequeno para atravessar uma avenida na faixa de pedestre. Com esta
solução o usuário poderá passar ou atravessar uma avenida em menor tempo,
tomando como referência uma cadeira mecânica.
21) Nível baixo da cadeira para conversar ou se alimentar. O sistema de elevação
permite que o usuário possa conversar em posição elevada e confortável com
amigos e familiares, assistir uma aula, fazer uma refeição em um balcão com nível
alto, proporcionando maior e melhor igualdade de condições durante estas
ocorrências.
17 CAPÍTULO 2 –TECNOLOGIA ASSISTIVA
22) O limite de construção especificado em normas para o meio-fio é 20 cm. Este
sistema consegue subir ou descer degraus com desnível de até 23 cm.
2.4 Conclusão
Neste capítulo, analisamos a área de tecnologia assistiva e principais barreiras à
acessibilidade, com a realização de uma lista de verificação de problemas, comprovando a
viabilidade da solução.
CAPÍTULO 3
MECANISMOS PARALELOS
3.1 Introdução
Neste capítulo apresenta-se uma introdução aos manipuladores paralelos. A primeira
seção descreve os sistemas robóticos com enumeração dos seus componentes. A segunda
seção descreve os manipuladores paralelos citando vantagens, classificação de acordo com
os graus de liberdade e principais aplicações. A terceira seção introduz o conceito de cadeia
cinemática virtual.
3.2 Sistemas Robóticos
Nessa dissertação, define-se manipulador robótico como: "um manipulador
reprogramável e multifuncional projetado para movimentar materiais, partes, ferramentas ou
outros aparelhos especializados através de vários movimentos programados, a fim de realizar
uma grande variedade de tarefas", conforme o Instituto Americano de Robótica (1979).
As juntas dos mecanismos são responsáveis pela conexão e movimentação relativa
entre os elos. A classificação dos elos ocorre de acordo com a sua função em: fixo, motor e
movido. O elo fixo sustenta toda a estrutura e não realiza qualquer movimento; o elo motor
está diretamente acoplado ao motor de acionamento e coloca o sistema em movimento; os
elos movidos se deslocam em função do movimento imposto pelo elo motor (HARTENBERG
e DENAVIT, 1964).
O número dos graus de liberdade (GDL) de uma conexão é determinado pelo tipo de
junta utilizada como vínculo entre as peças da cadeia cinemática. O número de juntas
normalmente empregadas na conexão entre as barras com respectivo número de graus de
liberdade associado a cada junta é apresentado na tabela 3.1, em conjunto com uma
representação esquemática das mesmas.
19 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Tabela 3.1 Tipos de Juntas (SUH;RADCLIFFE, 1978; TSAI, 2000).
Podemos encontrar diferentes tipos de juntas, permitindo um determinado número de
graus de liberdade entre os elos que se encontram conectados. Ao número de movimentos
independentes que um elo realiza em relação a outro, associado à junta, chamamos de grau de
liberdade. Podem ser encontrados os seguintes tipos de juntas: rotação; revolução; prismática
ou translação; helicoidal ou tipo rosca; cilíndrica; universal; esférica; entre outras.
Uma cadeia cinemática é um mecanismo composto por barras ou peças que se
conectam por juntas ou pares prismáticos. Se as extremidades da cadeia estiverem abertas,
será denominada cadeia aberta, caso contrário, será denominada cadeia fechada, conforme
Figuras 3.1(a) e 3.1(b), respectivamente.
a b
Figura 3.1 Cadeia cinemática aberta (a) e fechada (b) (HESS-COELHO, 2005).
20 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
As partes constituintes de um sistema robótico são: sistema de controle; malha de
sensoriamento; efetuador; atuador; manipulador mecânico. As articulações existentes
interligam os elos que constituem a estrutura do manipulador mecânico. Conforme figura 3.2,
o manipulador robótico é do tipo serial com elo da base fixo e atuação das articulações entre
os elos. Cada elo é acionado por seu respectivo atuador com torque suficiente para promover
os movimentos necessários à execução da tarefa, que pode ser um motor elétrico, pistão
pneumático, entre outros. O efetuador é a interface entre o manipulador e o ambiente de
atuação, realizando a manipulação propriamente dita dos objetos.
Para obter comportamentos específicos, conforme a aplicação, os controladores que
manipulam as entradas do processo são constituídos de controle On-Off de baixo nível ou um
sistema de controle inteligente de alto nível. Para realizar a realimentação do sistema de
controle para formar a malha de sensoriamento são utilizados encoders, potenciômetros,
câmeras de vídeo, entre outros.
Figura 3.2 Elementos de um sistema robótico (LARA, 2008).
Critérios são utilizados para classificar um manipulador robótico, tais como as
características do movimento, geometria do espaço de trabalho, número de graus de liberdade
e estrutura cinemática. Nesta pesquisa a classificação será realizada em função das cadeias
cinemáticas, que podem ser serial, paralela ou híbrida. A cadeia cinemática híbrida refere-se à
união da serial com a paralela. Para realizar esta classificação, foi considerada a existência de
cadeias cinemáticas abertas ou fechadas. Conforme Figura 3.3, um manipulador industrial do
tipo serial é apresentado.
21 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Figura 3.3 Estruturas cinemáticas: robô de estrutura serial
usado em soldagem (KUKA Robotics).
3.3 Definição de Manipulador Paralelo
Conforme MERLET (2006), um manipulador paralelo pode ser definido como um
mecanismo constituído de um efetuador com n graus de liberdade e de uma base fixa,
interligados por, no mínimo, duas cadeias cinemáticas fechadas independentes.
Algumas características para delimitar o estudo de robôs paralelos foram sugeridas por
MERLET (2006): a mobilidade do manipulador é zero com os atuadores sem movimento; o
número de atuadores é igual ao número de graus de liberdade do efetuador; ao menos duas
cadeias cinemáticas suportam o efetuador, onde cada uma deve ter ao menos um atuador. Essa
delimitação visa garantir que o número de atuadores e sensores para fechar a malha de
controle sejam mínimos.
3.3.1 Comparativo entre Manipuladores Paralelos e Seriais
Visando obter justificativa referente à arquitetura que será utilizada no projeto da
cadeira de rodas, será realizado um comparativo entre manipuladores paralelos e seriais.
O interesse por robôs paralelos ocorreu devido a solucionar problemas de pouca carga
e rigidez dos robôs com configuração serial, conforme TANEV (2000).
Manipuladores seriais possuem massas e momentos de inércia relativamente altos,
comprometendo diretamente o comportamento dinâmico da estrutura serial. De acordo com
VIANNA (2002), ocorre comprometimento da precisão do conjunto devido aos erros nas
juntas até o órgão terminal, somados à flexibilidade da estrutura.
Como exemplo de estrutura serial, pode-se citar a fresadora, conforme Figura 3.4.
Nesta máquina, ocorre movimento de translação das guias x, y e z.
22 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Figura 3.4 Fresadora CNC Universal MH-700C MAHO.
Com base nesta tecnologia, foram desenvolvidos centros de usinagem com CNC
(Comando Numérico Computadorizado). Como exemplo, na Figura 3.5 é mostrado o VMC
135E.
Figura 3.5 Centro de usinagem ―VMC 135E‖ (RASZL e HESS-COELHO, 2005).
Conforme MOLINA (2008), os manipuladores paralelos possuem características
dinâmicas melhores que os seriais, com atuadores montados próximos à base, reduzindo a
massa das partes móveis.
Uma estrutura paralela é um mecanismo de cadeia fechada cuja plataforma móvel está
conectada a uma base fixa por pelo menos duas cadeias cinemáticas independentes (BONEV,
2005). Mecanismo é um conjunto de corpos rígidos conectados para converter movimento e
transmitir esforços (BONEV, 2005). O mecanismo realiza a transformação de movimentos
disponíveis em movimentos desejados realizando uma aplicação específica. As cadeias ativas
são aquelas que acoplam a base à plataforma móvel, recebendo a transmissão de movimento
dos atuadores.
Nas estruturas robóticas de cinemática paralela, a base fixa e a plataforma móvel
formam os dois elos principais, unidos entre si por duas ou mais cadeias cinemáticas
23 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
independentes (MERLET, 2000; HESS-COELHO, 2005). O efetuador na plataforma móvel
se move no espaço de trabalho bidimensional ou tridimensional, em função de deslocamentos
impostos pelos motores. A Figura 3.6 mostra uma vista esquemática de uma estrutura robótica
de cinemática paralela genérica.
Figura 3.6 Esquema de estrutura robótica de cinemática paralela (HESS-COELHO, 2005).
De acordo com a tabela 3.2, conforme LARA (2008), podemos analisar e comparar
vantagens e desvantagens dos manipuladores com arquitetura serial e paralela.
Conforme MERLET (1999), as vantagens dos mecanismos paralelos com relação aos
seriais são: rapidez dos movimentos, rigidez e precisão. Outras vantagens referem-se à
redução de sua massa e motores localizados na base, resultando em boa resposta dinâmica em
termos de velocidade e aceleração e alta relação carga/peso (MERLET, 2000). Com
construção modular, devido ao uso de elementos idênticos, resulta em montagem simples e
redução de custo total (WECK e SCHUMACHER, 1998).
As desvantagens referem-se ao elevado volume ocupado pelo mecanismo com
referência ao seu espaço de trabalho; possibilidade de colisão entre as cadeias cinemáticas;
necessidade de controles mais complexos; dificuldade para sua calibração (MERLET,1999).
Com base nas informações deste capítulo, foi escolhido o manipulador paralelo para
realizar o desenvolvimento da cadeira de roda robótica, devido à precisão do controle que
deve ser utilizado neste projeto.
24 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Tabela 3.2 Comparação entre manipuladores seriais e paralelos (LARA, 2008).
3.3.2 Estado da Técnica dos Robôs Paralelos
O primeiro mecanismo paralelo que se tem registro data de 1928 (BONEV, 2003),
conforme Figura 3.7, referente a uma plataforma móvel utilizada como entretenimento,
desenvolvida e patenteada por GWINNETT (1931), porém não chegou a ser construída.
A plataforma hexapode foi desenvolvida para testar pneus sob o efeito do pouso de um
avião, constituída de seis atuadores lineares que movimentam a placa móvel através de
movimentos de translação e rotação, foi desenvolvida em 1947, conforme GOUGH (1962).
25 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Figura 3.7 Possivelmente o primeiro robô paralelo, patenteado
em 1931 (US Patent No. 1,789,680).
Conforme GOUGH (1962), para desenvolver seu projeto, foram utilizados
conhecimentos de um mecanismo hexapode com seis atuadores lineares, três verticais e três
horizontais, que realizavam pequenos deslocamentos do mecanismo, que pode ser verificado
na Figura 3.8(a). A máquina iniciou sua construção em 1950, concluída em 1954. Na Figura
3.8(b) é apresentada uma versão moderna da máquina.
Figura 3.8 (a) Projeto de Gough para testes de pneus de aeronaves (b) Versão moderna da
máquina com atuadores elétricos (Cortesia de Mike Beeson, Dunlop Tyres).
Posteriormente, STEWART (1965) propõe um mecanismo com seis graus de
liberdade para ser usado como simulador de vôo. A nova configuração apresenta melhorias
com relação à configuração proposta por GOUGH (1962), conforme Figura 3.9.
Durante estudos para melhorar uma mesa de vibração redundante com seis graus de
liberdade e sete atuadores, CAPPEL (1967) desenvolve no centro de pesquisa The Franklin
Institute Research, na Filadélfia, um manipulador similar ao proposto por GOUGH (1962).
Este foi o primeiro simulador de vôo desenvolvido tomando como base a estrutura de um
26 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
hexapode octaedro (BONEV, 2003), como parte de um requisito da Sikorsky Aircraft Division
dos Estados Unidos, cujo objetivo era construir um simulador de Vôo com seis graus de
liberdade para um helicóptero, conforme Figura 3.10.
Figura 3.9 Projeto de Stewart para simuladores de vôo (MERLET, 2006).
Na década de 1980, estruturas paralelas começaram a ser utilizadas, como exemplo os
baseados na estrutura tipo Delta, constituída por diversos paralelogramos unidos a uma
plataforma móvel, como a IRB 340 FlexPicker da ABB (figura 3.11) ou robô Delta aplicado a
área de medicina (Figura 3.12).
a b
Figura 3.10 Estrutura paralela: (a) primeiro simulador de vôo desenvolvido por Claus Cappel (1967),
MERLET (2006); (b) simulador de treinamento ―MD-11‖, (HESS-COELHO, 2008).
27 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Figura 3.11 Manipulador pega-e-põe IRB 340 FlexPicker da ABB, (HESS-COELHO, 2005).
Figura 3.12 Robô DELTA aplicado na medicina (DELTA, 2006).
Na década de 1990, estruturas paralelas foram mais utilizadas pela indústria e por
universidades, conforme Figura 3.13.
Com o avanço da tecnologia, atualmente pode ser utilizado servomotor para acionar os
mecanismos, com possibilidade de utilização da arquitetura paralela para várias aplicações,
como exemplo, a cadeira de rodas, centros de usinagem, entre outros.
Figura 3.13 Máquina-ferramenta paralela Cosmos Center PM-600
de 5 eixos da Okuma (MERLET, 2006b).
28 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
No início de 2000, os desenvolvimentos se voltaram para as estruturas cinemáticas
paralelas com menor mobilidade, principalmente as tripodes, com mobilidade três, como
exemplo Ulysses da Fatronik (Figura 3.14).
Conforme Figura 3.15, existem modernos simuladores de vôo, lançados em 2008 pela
CAE Canadian Aviation Eletronics.
Diferentes simuladores de movimentos são utilizados hoje em dia. Conforme Figura
3.16, a Toyota desenvolveu um simulador automobilístico, visando analisar o comportamento
de motoristas sob o efeito de álcool ou sonolência. A cápsula possui sete metros de diâmetro,
com um carro de frente a uma tela circular de 4,5 metros de altura. A plataforma pode se
movimentar 35 metros em uma determinada direção e 20 metros em outra com um ângulo de
90 º.
Figura 3.14 Estrutura robótica paralela tripode Ulysses
da Fatronik, (RASZL e HESS-COELHO, 2005).
Figura 3.15 Simulador de vôo CAE 5000 (Canadian Aviation Electronics Ltd).
29 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Figura 3.16 Simulador automobilístico (Toyota).
Indústrias de máquinas e fabricantes de robôs utilizam cada vez mais soluções com
arquitetura paralela, obtendo vantagens e atendendo a requisitos de aplicações simples e
complexas. Como exemplo, existe o robô IRB 940 Tricept da ABB, que consiste de um robô
híbrido composto de três graus de liberdade seriados com três graus de liberdade paralelos. O
F2001 da FANUC possui arquitetura hexapode.
SPECKERT (2008) sugere a utilização de dois hexapodes trabalhando do forma
independente para a realização de testes de suspensão de veículos. BOSSCHER et al. (2007)
propõe um manipulador paralelo atuado por cabos para utilização na área de construção civil.
O robô escalador apresentado por ALMONACID et al. (2003) é utilizado para realizar
a inspeção de tubulações, desenvolvimento baseado na plataforma proposta por GOUGH
(1962).
Para realizar o ajuste do foco do telescópio UKIRT (United Kingdom Infra-Red
Telescope) foi desenvolvido um robô hexapode pelo Instituto Max Planck, conforme pode ser
visto na Figura 3.17.
Figura 3.17 Manipulador do telescópio UKIRT (Joint Astronomy Center).
30 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
3.3.3 Classificação dos Robôs Paralelos.
Conforme KONG & GOSSELIN (2007), os robôs paralelos podem ser classificados
com base no tipo de mecanismos. Uma proposta diferente toma como base o número de graus
de liberdade (GDL) do sistema, apresentada por MERLET (2006), a qual será utilizada nesta
pesquisa.
3.3.3.1 Manipuladores com 3 Graus de Liberdade.
Podem ser encontrados manipuladores de translação, orientação e com graus de
liberdade mistos. Manipuladores de translação são utilizados geralmente para operações em
máquinas. Como exemplo de manipuladores de orientação, na Figura 3.18 é mostrado o pulso
esférico de GOSSELIN et al. (1990), onde três cadeias esféricas são utilizadas junto a
atuadores de rotação com os eixos convergentes ao centro da plataforma móvel.
Figura 3.18 Pulso esférico de Gosselin (MERLET, 2006).
Manipuladores mistos referem-se a uma combinação dos três graus de liberdade
anteriores com translação ao longo do eixo vertical e rotação em torno dos outros dois eixos
mutuamente ortogonais. No mecanismo proposto por HUNT & LEE, conforme Figura 3.19,
podem ser verificadas as juntas da base de revolução e as juntas da plataforma móvel, as quais
são juntas esféricas ligadas a atuadores prismáticos que permitem a alteração do comprimento
dos elos.
31 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Figura 3.19 Manipulador paralelo com 3 GDL misto usado
em simuladores de carros (MERLET, 2006).
O professor Clément Gosselin da Laval University Robotics Laboratory desenvolveu
uma proposta de manipulador paralelo com três graus de liberdade: 3-RRR esférica e 3-PRRR
de translação (GOSSELIN, 2009; GOSSELIN C. KONG, 2002). Na Figura 3.20 é
apresentado um exemplo de estrutura esférica(a) e de translação(b).
a b
Figura 3.20 Manipulador paralelo com 3-GDL: (a) Universidade Laval Eye Agile. (b)
Tripteron (GOSSELIN, 2009; GOSSELIN C. KONG, 2002).
Na Figura 3.21 é mostrado o manipulador Tricept proposto por NEUMANN (1988),
possuindo 3-GDL de translação. O Tricept foi implementado como um manipulador paralelo
com 6-GDL pela ABB Robótica e SL PKMtricept: 3-GDL originais de translação do Tricept e
3-GDL esféricos de uma cadeia série na plataforma móvel.
32 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Figura 3.21 Manipulador paralelo Tricept: (a) Esquema do manipulador Tricept (NEUMANN,1988);
(b) Tricept T606 de PKMtricept SL (PKM Tricept SL, 2009).
3.3.3.2 Manipuladores de 4 Graus de Liberdade.
Manipuladores com capacidade de realizar três rotações e uma translação na vertical.
Conforme MERLET (2006), esta arquitetura não é teoricamente possível de ser construída
com os quatro elos iguais, a não ser que possua uma restrição mecânica passiva ou que os elos
tenham uma geometria específica ou ainda se os elos forem diferentes. Como exemplo,
conforme Figura 3.22, foi criado um mecanismo em 1975 por Koevermans para realizar
simulação de vôo, com a existência de uma restrição passiva garantindo não haver translação
no eixo vertical. Como exemplo, temos também o IRB 340 FlexPicker da ABB (Figura 3.11)
ou robô Delta aplicado a área de medicina (Figura 3.12).
Figura 3.22 Manipulador paralelo com 4 GDL utilizado como simulador de vôo (MERLET, 2006).
Em parceria com a Toyota, François Pierrot e colegas de trabalho realizaram a
proposta referente a família de manipuladores paralelos H4 e I4 (PIERROT, 2009). Estes
manipuladores paralelos utilizam configurações inteligentes configurações da plataforma
móvel para obter 4-GDL, três translações e uma rotação, possibilitando grandes rotações
(PIERROT et al, 1999, Krut et al, 2003; COMPANY et al, 2003;. MERLET, 2006). I4 é uma
evolução da arquitetura H4 (Figura 3.23). Na Figura 3.24, temos a H4 e I4.
33 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
a b
Figura 3.23 Manipuladores paralelos H4 e I4 com 4-GDL: (a) Manipulador paralelo H4.
(b) Manipulador Paralelo I4 (PIERROT et al., 2006).
Figura 3.24 Detalhe da plataforma H4 no lado esquerdo
e detalhe da plataforma I4 no lado direito (PIERROT et al., 2006).
3.3.3.3 Manipuladores de 5 Graus de Liberdade.
Robôs paralelos com 5 GDL também necessitam de restrições passivas ou uma
geometria bem elaborada, geralmente utilizados em máquinas ferramentas. Na Figura 3.24
são apresentados esquemas de arranjo de elos e juntas dessa classe com restrições passivas.
O elemento restritivo influencia a rigidez do sistema, reduzindo a sua área de atuação
devido à interferência do elo. Como alternativa um dos elos atuados pode impedir a
movimentação em um GDL da plataforma como mostra o terceiro modelo da Figura 3.25.
Figura 3.25 Manipulador paralelo com 5-GDL (MERLET, 2006).
34 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Manipuladores paralelos com 5-GDL têm sido propostos, porém poucos são
implementados (KONG; GOSSELIN, 2005; LI et al, 2004; GAO et al, 2002; FANG; TSAI,
2002). A Figura 3.26 apresenta dois manipuladores paralelos com 5-GDL propostos por Fang
e Tsai (2002).
a b
Figura 3.26 Manipuladores paralelos com 5-GDL propostos por Fang e Tsai
(FANG; Tsai, 2002): (a) 5-RRRRR. (b) 5-RPUR.
3.3.3.4 Manipuladores de 6 Graus de Liberdade
Manipuladores com 6 graus de liberdade permitem realizar movimentos em qualquer
direção no espaço, tais como translações e rotações em três direções de forma independente.
Podemos obter diferentes configurações em função da arquitetura das juntas, possibilitando
distinguir os mecanismos.
Robôs tipo UPS são formados pelas juntas universal (U), prismática (P) e esférica (S),
conforme tabela 3.1. Existe também o seis UPS, hexapode, entre outros. Para uso em
simulador de vôo, pode ser verificado na figura 3.27 um manipulador. Neste, a plataforma
móvel é conectada à base por seis cadeias cinemáticas fechadas. O elo é acoplado à base pela
junta universal, onde a parte superior é conectada por juntas esféricas. O atuador prismático
possibilita a mudança de comprimento dos elos durante a trajetória.
A direção de atuação das juntas prismáticas não é importante, existindo modelos onde
a junta prismática se movimenta na horizontal, como o Hexaglide, conforme pode ser
verificado na figura 3.28, uma aplicação como máquina ferramenta.
35 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Figura 3.27 Manipulador paralelo com 6-GDL tipo UPS (MERLET, 2006).
a b
Figura 3.28 Manipulador Hexaglide: (a) Esquema do Hexaglide (MERLET, 2006).
(b) Implementação do Hexaglide como máquina ferramenta (MERLET, 2006).
Conforme figura 3.29, pode ser verificado o manipulador conhecido como INRIA
utilizado na confecção de lentes. Este é um robô tipo PUS (prismática, universal e esférica)
com uma junta prismática atuando na vertical conectada a um elos de comprimento fixo por
uma junta universal, cujo extremo é acoplado à plataforma móvel por uma junta esférica.
Figura 3.29 Manipulador paralelo com seis GDL tipo PUS, INRIA (MERLET, 2006).
36 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Kohli et al. (1988) sugeriram um manipulador paralelo com três pernas, que utiliza
atuadores duplos lineares e rotativos, conforme esquema do manipulador paralelo mostrado
na figura 3.30.
Figura 3.30 Manipulador com 6-GDL: (a) Esquema do manipulador Kohli’s (MERLET,2006); (b)
Uma variação do manipulador Kohli’s utilizando três pernas RPRS (Chen, 2009).
Os robôs manipuladores tipo RUS (revolução, universal e esférica) são baseados no
modelo delta com três GDL, apresentando uma articulação de rotação seguida por uma junta
universal e uma junta esférica. A figura 3.31 ilustra dois exemplos dessa arquitetura.
Figura 3.31 Manipulador paralelo com 6 GDL tipo RUS, adaptado de (MERLET, 2006).
3.3.3.5 Mecanismo Paralelo Híbrido.
Mecanismos totalmente paralelos possuem n graus de mobilidade, cuja plataforma
móvel é conectada à base por n cadeias cinemáticas independentes, cada uma possuindo um
atuador. Mecanismo paralelo híbrido possui graus de mobilidade maior do que o número de
cadeias cinemáticas independentes que conectam a plataforma móvel à base (BONEV 2005).
Ocorre pequena diferença nos mecanismos paralelos híbridos e totalmente paralelos,
onde o órgão terminal no paralelo híbrido independe da plataforma e no totalmente paralelo o
37 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
órgão terminal é dependente conforme figura 3.32.
Atualmente os projetos utilizam arquiteturas híbridas, combinando estruturas paralelas
com seriais, conseguindo um maior espaço de trabalho de translação ou orientação. Como
exemplo, podemos observar o Tricept 805 da SMT (figura 3.33).
Figura 3.32 Diagrama cinemático de um mecanismo paralelo híbrido (CRAIG, 1999).
Figura 3.33 Máquina-ferramenta híbrida Tricept 805 da SMT,
(RASZL e HESS-COELHO, 2005).
3.4 Cadeia Virtual de Assur.
Nesta seção serão fornecidos conhecimentos sobre cadeia virtual de Assur em virtude
da sua utilização na modelagem cinemática.
3.4.1 Definição de Cadeia Virtual de Assur.
Uma cadeia virtual de Assur é uma cadeia cinemática composta por corpos virtuais e
juntas virtuais que satisfazem às seguintes propriedades: a) é serial; b) contém juntas cujos
helicóides normalizados são linearmente independentes; e c) não altera a mobilidade da
cadeia cinemática real. Em outras palavras, a cadeia virtual de Assur é um grupo de Assur
38 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
(BARANOV,1985). O conceito de cadeia virtual de Assur foi introduzido por Campos em
(CAMPOS, 2004).
Cadeia virtual de Assur consiste basicamente de uma ferramenta para monitorar ou
impor um movimento em uma cadeia cinemática (CAMPOS; GUENTHER; MARTINS,
2005). A seguir são apresentadas três cadeias virtuais de Assur, para melhor compreensão.
3.4.2 Cadeia Virtual de Assur Plana PPR.
A cadeia virtual de Assur PPR é composta por dois corpos virtuais (C1 e C2)
conectados por duas juntas prismáticas, onde os movimentos ocorrem nas direções ortogonais
x e y, e por uma junta rotativa, onde o movimento ocorre no plano xy (Fig. 3.34). As juntas
prismáticas são chamadas de px e py e a junta rotativa de rz.
Figura 3.34 Cadeia virtual de Assur PPR.
Para realizar a análise, a junta prismática px e a rotativa rz são conectadas à cadeia
cinemática real. A junta px conecta o corpo real R1 com o corpo virtual C1. A junta py
conecta o corpo virtual C1 com o corpo virtual C2. A junta rz conecta o corpo virtual C2 ao
corpo real R2. A cadeia virtual de Assur PPR representa os movimentos em um sistema
cartesiano plano.
3.4.3 Cadeia Virtual de Assur Plana RPR.
A cadeia virtual de Assur RPR é composta por dois corpos virtuais (C1 e C2)
conectados por duas juntas rotativas, onde os movimentos ocorrem no plano xy, e por uma
junta prismática (Fig. 3.35). As juntas rotativas são chamadas de rz1 e rz2 e a junta prismática
de pr. Esta cadeia RPR é semelhante à modelagem cinemática da cadeia virtual realizada
referente à cadeira robótica.
39 CAPÍTULO 3 –MECANISMOS PARALELOS
Figura 3.35 Cadeia virtual de Assur RPR.
As duas juntas rotativas rz1 e rz2 e a junta prismática pr são conectadas à cadeia
cinemática real para serem analisadas. A junta rz1 conecta o corpo real R1 com o corpo
virtual C1, a junta pr conecta o corpo virtual C1 com o corpo virtual C2 e a junta rz2 conecta
o corpo virtual C2 ao corpo real R2 (Fig. 9). A cadeia virtual de Assur RPR representa os
movimentos em um sistema cartesiano plano.
Cadeias virtuais de Assur podem ser encontradas em (CAMPOS, 2004) e em
(CAMPOS; GUENTHER; MARTINS, 2005).
3.5 Conclusão
Neste capítulo, analisamos os sistemas robóticos, manipuladores paralelos e cadeia
virtual de Assur, onde ficou definida a utilização de manipulador paralelo na CRR e a
realização da modelagem utilizando cadeias virtuais.
CAPÍTULO 4
ANÁLISE CINEMÁTICA
4.1 Introdução.
Neste capítulo apresenta-se na segunda seção a descrição da cadeira de rodas robótica
e dos seus estados de operação. Na terceira seção é realizada a análise cinemática do sistema
robótico referente à cadeira de rodas usando cadeias virtuais. Na quarta seção é realizada
uma introdução ao controle cinemático. Na última seção apresenta-se a conclusão do
capítulo.
4.2 Cadeira de Rodas Robótica.
Durante o desenvolvimento deste trabalho foi desenvolvido o protótipo do robô com o
objetivo de superar obstáculos existentes em ruas e avenidas, para uso por portadores de
necessidades especiais. Esta seção é referente ao protótipo, que consiste de um sistema
robótico constituído de 4 juntas rotacionais acionando diretamente as rodas e 4 juntas
prismáticas referentes aos braços, controlando a plataforma da cadeira na posição horizontal,
com possibilidade de superar obstáculos. Na Figura 4.1 temos a modelagem cinemática da
cadeira de rodas, onde pode-se verificar as juntas rotacionais e prismáticas.
Figura 4.1 Modelagem cinemática da cadeira de rodas.
1r
x
0
x1f
x1r
2f
x2f
z2
rb
z0,
z1r
z1f
z2f
z3
x2r
x
3
d2r
d3f
L
H
d1f h
{3}
{0}
41 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
4.2.1 Descrição dos Estados de Operação da Cadeira de Rodas Robótica.
Para facilitar a compreensão das funcionalidades da Cadeira de Rodas Robótica
(CRR), foram definidos alguns estados de operação:
1) S1: cadeira no nível inferior com rodas dianteiras e traseiras no solo.
2) S2: roda dianteira se eleva para o nível superior até ficar suspensa no ar pela junta
prismática dianteira (d3f).
3) S3: juntas rotacionais avançam a cadeira até a roda central atingir o desnível.
4) S4: roda dianteira no nível superior, sobre o desnível.
5) S5: roda central se eleva para o nível superior até ficar suspensa no ar com o
auxílio das juntas prismáticas dianteira (d3f) e traseira (d2r).
6) S6: juntas rotacionais avançam a cadeira até a roda traseira atingir o desnível.
7) S7: roda central apoiada no nível superior sobre o desnível.
8) S8: roda traseira se eleva para o nível superior até ficar suspensa no ar pela junta
prismática traseira (junta d2r).
9) S9: roda traseira no nível superior.
10) S10: juntas rotacionais avançam a cadeira até a roda traseira ficar sobre o desnível.
11) S11: roda traseira apoiada no nível superior sobre o desnível, ou seja, cadeira no
nível superior com rodas dianteiras e traseiras em cima do desnível.
12) S12: juntas rotacionais avançam a cadeira até a roda dianteira ficar totalmente em
cima do desnível, para descer o desnível.
13) S13: roda dianteira em cima do desnível.
14) S14: roda dianteira desce para o nível do solo acionada pela junta prismática
dianteira (d3f).
15) S15: juntas rotacionais avançam a cadeira até a roda central atingir o desnível, para
descer o desnível.
16) S16: roda central sobre o desnível.
17) S17: roda central desce para o nível do solo com o auxílio das juntas prismáticas
dianteira (d3f) e traseira (d2r).
18) S18: juntas rotacionais avançam a cadeira até a roda traseira atingir o desnível.
19) S19: roda traseira sobre o desnível.
20) S20: roda traseira desce para o nível do solo acionando a junta prismática traseira
(d2r), ou seja, cadeira com rodas dianteiras e traseiras no nível do solo.
42 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
4.2.2 Descrição da Cadeira de Rodas Robótica.
O objetivo do projeto é subir e descer um obstáculo controlando a plataforma da
cadeira na posição horizontal através do acionamento de juntas prismáticas e rotacionais, onde
o sistema robótico que foi realizada a modelagem cinemática é constituído de 4 juntas
rotacionais acionando diretamente as rodas e 4 juntas prismáticas acionando diretamente os
braços.
Figura 4.2 Vista da cadeira com roda central e sistema robótico.
4.2.2.1 Simulação com o Work Model.
Na figura 4.2, pode ser observado que as rodas centrais de uma cadeira convencional
são utilizadas como juntas passivas, essenciais para a realização das etapas de subir e descer o
desnível. Nas figuras 4.3 a 4.5, podemos analisar os estados referentes a etapa de subir um
desnível, utilizando o programa Work Model. O protótipo construído possui 4 juntas
rotacionais acionando diretamente as rodas e 4 juntas prismaticas acionando diretamente os
braços.
43 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
Figura 4.3 Estado S1: cadeira no nível inferior com rodas dianteiras e traseiras no solo.
Figura 4.4 Estado S5: acionamento das juntas prismáticas d2r e d3f para subir o desnível.
44 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
Figura 4.5 Estado S11: roda traseira apoiada no nível superior sobre o desnível, ou seja, cadeira no
nível superior com rodas dianteiras e traseiras em cima do desnível.
4.2.2.2 Protótipo.
Nas figuras 4.6 a 4.16, podemos analisar os estados referentes a etapa de subir um
desnível, utilizando imagens do protótipo desenvolvido. A etapa de descer, possui a mesma
quantidade de passos.
Figura 4.6 Estado S1: cadeira no nível inferior em aproximação com referência ao desnível.
45 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
Figura 4.7 Estado S1: cadeira no nível inferior com rodas dianteiras e traseiras no solo.
Figura 4.8 Estado S2: elevação da roda dianteira.
Figura 4.9 Estado S3: juntas rotacionais avançam a cadeira até a roda central atingir o desnível.
46 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
Figura 4.10 Estado S4: roda dianteira no nível superior, sobre o desnível.
Figura 4.11 Estado S5: roda central se eleva para o nível superior até ficar suspensa no ar com o
auxílio das juntas prismáticas dianteira (d3f) e traseira (d2r).
Figura 4.12 Estado S7: roda central apoiada no nível superior sobre o desnível.
47 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
Figura 4.13 Estado S8: roda traseira se eleva para o nível superior.
Figura 4.14 Estado S9: roda traseira no nível superior.
Figura 4.15 Estado S10: juntas rotacionais avançam a cadeira até a
roda traseira ficar sobre o desnível.
Na figura 4.15 verificamos que a cadeira de rodas robótica encontra-se totalmente em
cima do desnível. Neste momento seu mecanismo encontra-se na posição zero ou
intermediária, podendo subir ou descer outro obstáculo do mesmo nível, neste caso, 30 cm.
48 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
Figura 4.16 Estado S11: cadeira no nível superior com rodas
dianteiras e traseiras em cima do desnível.
Cada multi-manipulador pode atuar de forma independente, buscando manter a
plataforma com o usuário sempre na horizontal, mesmo durante a passagem por obstáculos.
Os sinais referentes ao controle de inclinação e atitude são provenientes de sensores:
balancim com potenciômetro ou encoder. O controle referente ao avanço, retorno, giro à
direita e giro à esquerda serão realizados por chaves de comando.
4.3 Análise Cinemática e Modelagem do Sistema Robótico para Realizar o Controle de
Atitude.
Nesta seção será realizada a análise cinemática e modelagem referente à cadeira de
rodas robótica proposta, visando realizar o controle de atitude. Esta modelagem é referente ao
estado S5, onde ocorre a elevação da roda central para o nível superior até a mesma ficar
suspensa através da atuação das juntas prismáticas dianteira (d2r) e traseira (d3f), conforme
pode ser verificado na figura 4.10, ou seja, a roda central não fica apoiada neste estado.
Conforme a figura 4.1, a roda traseira (subscrito r) e a roda dianteira (subscrito f) são
suportados em dois desníveis com desnível H entre ambos. Neste trabalho, apenas o controle
sobre o plano sagital da cadeira de rodas é estudado. Para fins de controle, presume-se que
todo o movimento ocorre em relação ao eixo da roda traseira (sistema de referência {0}
fixado ao eixo da roda traseira). Assim, a junta 1r (rotacional), 1f (prismática) e 2f
(rotacional) são juntas passivas virtuais, enquanto que as juntas 2r (prismática) e a junta 3f
(prismática) são acionadas em conjunto para equilibrar o mecanismo. As juntas passivas
virtuais são, respectivamente, a rotação em torno do eixo da roda traseira (junta 1r), o
movimento horizontal da roda dianteira sobre o desnível superior (junta 1f) e rotação em
torno do eixo da roda da frente (junta 2f).
49 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
Para efeitos de análise, o deslocamento horizontal da roda traseira foi desprezado,
assumindo que, para para pequenos deslocamentos horizontais a roda traseira e a roda
dianteira permanecem respectivamente no desnível inferior e no desnível superior.
Este sistema foi modelado como dois manipuladores robóticos independentes (Figura
4.17), cooperando para posicionar o frame de referência {3} (acoplado à extremidade da
cadeira), constituindo um mecanismo 1RP (revolução e prismática) + 1 PRP (prismática,
revolução e prismática). O primeiro braço (porção traseira do mecanismo) tem duas
articulações: a junta virtual 1r, rotacional e passiva (movimento em torno do eixo da roda
traseira) e a junta traseira 2r, prismática e ativa. O segundo braço (porção frontal do
mecanismo) tem três articulações: a junta virtual 1f, prismática e passiva (movimento
horizontal da roda da frente ao longo da superfície do desnível superior, a junta virtual 2f,
rotacional e passiva (em torno do eixo da roda da frente) e a junta 3f, prismática e ativa.
Figura 4.17 Modelagem de dois sistemas robóticos independentes.
Os parâmetros Denavit-Hartemberg para ambos os braços mecânicos são apresentados
na Tabela 4.1, onde, a, , d e são, respectivamente, o comprimento do elo, o ângulo de
torção do elo, o deslocamento da junta e o ângulo da junta:
Tabela 4.1. Parâmetros Denavit-Hartemberg Braço Manipulador Traseiro.
Braço Manipulador Traseiro
Junta a d
0-1r 0 0o
0 1r
1r-2r 0 90o
d2r 0o
2r-3 -L 0o 0 0
o
50 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
Tabela 4.2. Parâmetros Denavit-Hartemberg Braço Manipulador Dianteiro.
Braço Manipulador: Frente
Junta a d
0-1f H 90o
d1f 0o
1f-2f 0 -90o
0 2f
2f-3 0 90o d3f 0
o
A função da cinemática direta para o braço traseiro (1) é:
[
] (1)
De onde obtemos a posição da origem do referencial {3} em relação ao referencial da
base {0}, em função das variáveis de juntas do braço traseiro:
= (2)
= (3)
Derivando estas equações temos:
= +
=
A função da cinemática direta para o braço dianteiro (4) é:
[
] (4)
De onde obtemos a posição da origem do referencial {3} em relação ao referencial da
base {0}, em função das variáveis de juntas do braço dianteiro:
= (5)
= (6)
Derivando estas equações temos:
= +
=
Devido ao acoplamento mecânico, as variáveis virtuais θ1r e θ2f são iguais. A posição
do frame de referência {3} em relação ao frame de referência da base {0} é o mesmo para
ambos os manipuladores. Considerando h a componente x do vetor (altura da cadeira a
51 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
partir da base), esta altura é obtida a partir das equações de cinemática direta do braço traseiro
(fórmula 2) e dianteiro (fórmula 5).
O objetivo do controle de altura e atitude é nivelar a cadeira na posição horizontal ( 1r
= 90o) para uma altura h especificada, considerando as próprias restrições do mecanismo,
onde = .
De onde obtemos:
(7)
(8)
As equações (5) e (6) podem ser escritas matricialmente:
[
] =
[
]. [
] (9)
Onde o jacobiano do mecanismo é:
J =
[
] (10)
A configuração singular ocorre quando o determinante do jacobiano se anula:
det(J) =
= 0 (11)
De onde verifica-se que det(J) = 0 quando ou , ou seja, quando
a cadeira está completamente tombada para frente ou para trás respectivamente.
4.4 Controle Cinemático.
Para que a cadeira de roda proposta possa atingir sua finalidade e manter a plataforma
na horizontal de forma rápida, exata, confiável e precisa, será necessário implementar uma
estratégia de controle. Os atuadores prismáticos e rotacionais precisam ser controlados para
manter um ângulo de atitude desejado e uma altura da base da cadeira desejada. Este controle
apresenta características não-lineares, devido ao acionamento das juntas prismáticas e
rotacionais e às características do mecanismo.
Na literatura, o controle baseado na dinâmica inversa, conhecido como controle de
torque computado, é um método popular quando se trata de posicionamento de um
manipulador paralelo. Essa estratégia de controle aponta bons resultados quando se tem em
mãos um modelo matemático fiel ao sistema. Porém as complicações e simplificações
envolvidas no processo de modelagem acarretam em erros inerentes que podem comprometer
o desempenho do controlador (LEE et al., 2003). Desta forma, para atingir um alto
52 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
desempenho no controle de trajetória de um manipulador paralelo com 6-GDL, podemos
utilizar técnicas de controle adaptativo. Um controle adaptativo é resultante de modificações
das leis de controle durante o processo para compensar o fato dos parâmetros envolvidos
serem variantes no tempo ou detentores de incertezas. HONEGGER (1997) defende essa
metodologia ao controlar um modelo invertido no qual os atuadores se movem sobre trilhos.
Como opção aos controladores adaptativos, controladores robustos garantem certa
flexibilidade aos parâmetros sem necessidade de mudar as leis de controle. Ou seja, controles
robustos estão aptos a superarem pequenas diferenças entre o modelo real da planta e o
modelo nominal utilizado para o projeto. Nessa abordagem, LEE et al. (2003) apresenta uma
combinação do controle de torque computado com um controle robusto do tipo H∞ .
Por outro lado, Considerando os atuadores eletromecânicos, LARA (2008) defende
que a dupla redução das forças produzidas pela dinâmica do manipulador, devido a um
parafuso sem fim e de um redutor planetário, reduzem a magnitude das forças produzidas pela
dinâmica do mecanismo do manipulador. Ao serem minimizados os efeitos dinâmicos
aumentando as reduções, o sistema tende a ter um comportamento linear, onde os efeitos
dinâmicos não lineares são bastante reduzidos e podem até mesmo serem desprezados. Assim,
em manipuladores robóticos dotados de reduções mecânicas consideráveis, o comportamento
do sistema pode ser descrito de forma satisfatória até pelo seu modelo cinemático. Segundo
GHOBAKHLOO et al. (2006), controladores proporcional-integral-derivativo (PID) são
amplamente utilizados em sistemas de controle industrial. Em particular, para manipuladores
robóticos dotados de reduções mecânicas, este tipo de controladores é adequado para a
maioria das aplicações.
A cadeira de rodas robótica apresentada neste trabalho é dotada de juntas prismáticas
com reduções mecânicas elevadas. Controladores PID cinemáticos podem ser utilizados.
Como o sistema de redução é implementado por parafuso sem fim, o grau elevado de redução
mecânica resultante permite até o uso de simples controladores proporcionais sem
considerável perda de desempenho na estabilização da cadeira.
Invertendo a equação (7), obtemos a lei de controle cinemático:
[
] . [
] (12)
As velocidades de referência e podem ser obtidas, por exemplo, a partir de
uma lei de controle proporcional simples:
= ( ) (13)
= (
) (14)
53 CAPÍTULO 4 – ANÁLISE CINEMÁTICA
Onde é a altura de referência, é o ângulo de atitude de referência (
) e e são ganhos proporcionais para
altura e atitude, respectivamente.
4.5 Conclusão.
Neste capítulo foi apresentado o funcionamento da cadeira de rodas robótica através
dos estados e das figuras referentes ao protótipo, realizando a modelagem cinemática e
obtendo a lei para realizar o controle proporcional, onde serão obtidos os resultados em
ambiente de simulação.
CAPÍTULO 5
RESULTADOS
5.1 Introdução
Neste capítulo serão mostrados os resultados experimentais no ambiente de
simulação conforme os estados de operação da CRR, visando obter o controle do ângulo de
atitude e altura do robô.
5.2 Dimensões e Características do Protótipo da CRR.
Para compreensão dos gráficos referentes às simulações realizadas, segue abaixo as
medidas utilizadas no desenvolvimento do protótipo, com seus limites máximos e mínimos de
operação, conforme Figura 5.1.
Figura 5.1 Dimensões do protótipo.
A junta prismática d2r varia a partir de uma posição central ou intermediária para
+230 mm ou para -230 mm. Esta posição é nivelada na altura da base da cadeira de rodas,
onde o usuário está sentado. Quando o atuador estiver em sua posição intermediária, a base da
55 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
cadeira encontra-se a 650 mm do solo. A roda utilizada mede 304,80 mm, onde seu raio mede
152,4 mm. Portanto a medida da base pode variar para 727,60 mm (+230mm) ou para 267,60
mm (-230 mm), onde a posição central mede 497,60 mm.
Quando a cadeira está nivelada sem a existência de algum desnível, a altura de h
máxima é igual a 727,60 mm. As medidas de d2r e d3f são iguais. A medida ―h‖ somada ao
raio da roda totaliza 880 mm, altura máxima que a base da cadeira pode chegar, com relação
ao solo e com as juntas d2r e d3f em seu curso máximo, sem desnível. A posição mínima da
base da cadeira com relação ao solo será 267,60 mais o raio da roda, totalizando h igual a 420
mm (para d2r igual a d3f, sem desnível).
O valor de L é 920mm.
Os valores para o desnível H utilizado nas simulações são: 230 mm, 115 mm e 100
mm.
5.3 Parâmetros utilizados no controle.
Durante as simulações, foram aplicados vários valores para o controlador
proporcional. O valor dos ganhos ou que permitiram realizar o controle variou entre
0,12 a 0,25. Com base nestes ganhos, foram aplicados inicialmente valores de velocidade nas
juntas compatíveis com a planta. Para diferentes valores iniciais do ângulo 1r foram aplicados
novos valores de ganho, onde em uma aplicação real poderá ser utilizado controlador com
ganho escalonado.
Vale salientar que partimos nas simulações da condição mais crítica, com inclinação
máxima. Em uma aplicação real, na ocorrência de um sinal de erro referente à inclinação do
ângulo de atitude, o robô já inicia a compensação, com rápidas correções. Verificou-se que,
para um ângulo máximo de 14,47 graus, os tempos de atuação das juntas foram de 30
segundos. Porém, para uma aplicação real, utilizando um controlador com ganho escalonado,
este tempo poderá ser otimizado e reduzido.
5.4 Gráficos da CRR com Desnível de 230 mm.
Conforme os estados de operação definidos anteriormente, foram elaborados gráficos
que demonstram a atuação das juntas prismáticas dianteiras e traseiras.
No estado S2, a roda dianteira se eleva do nível do solo (posição intermediária da junta
prismática d3f = 497,60 mm) para o nível superior, subindo 230 mm, até atingir seu objetivo
de 726,60 mm, conforme Figura 5.2.
56 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
Figura 5.2 Estado S2: d3f atuando de 497,60 mm para 726,70 mm.
No estado S5, ocorre atuação das duas juntas. A junta dianteira, que se encontra sob o
desnível, levanta a cadeira saindo de sua posição superior 726,70 mm para a posição
intermediária, atingindo o valor 497,60 mm. A junta traseira (d2r) aciona levantando a
cadeira, partindo da posição intermediária (497,60 mm) para uma posição de 267,60 mm,
conforme Figura 5.3.
Figura 5.3 Estado S5: d3f atuando de 767,60 mm para 497,60 mm e
d2r atuando de 497,60 mm para 267,60 mm.
No estado S8, a junta traseira (d2r) eleva a roda para o nível superior, até ficar
suspensa no ar, partindo da posição inferior 267,60 mm para uma posição intermediária,
atingindo o valor 497,60 mm, conforme Figura 5.4.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50450
500
550
600
650
700
750Variação da Junta d3f
t(s)
d3f(
mm
)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750Variação das Juntas d2r e d3f
t(s)
d2r
e d
3f(
mm
)
57 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
Figura 5.4 Estado S8: d2r atuando de ―-230mm‖ para ―0mm‖.
No estado S14, a junta dianteira (d3f) aciona descendo para o nível do solo, realizando
a descida da cadeira de rodas, partindo da posição intermediária (497,60 mm) para uma
posição inferior, atingindo o valor 267,60 mm, conforme Figura 5.5.
Figura 5.5 Estado S14: d3f atuando de 497,60 mm para 267,60 mm.
No estado S17, ocorre atuação das duas juntas. A junta dianteira, que se encontra no
solo, aciona a CRR saindo de sua posição 267,60 mm para a posição intermediária, atingindo
o valor 497,60 mm, conforme figura 5.6. A junta traseira (d2r) aciona, partindo da posição
intermediária 497,60 mm para uma posição superior, atingindo o valor 727,60 mm, conforme
Figura 5.6.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50250
300
350
400
450
500Variação das Juntas d2r
t(s)
d2r
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50250
300
350
400
450
500Variação da Junta d3f
t(s)
d3f
58 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
Figura 5.6 Estado S17: d2r atuando de 497,60 mm para 727,60mm.
Figura 5.7 Estado S17: d3f atuando de 267,60 mm para 497,60 mm.
No estado S20, a junta traseira aciona descendo para o nível do solo, partindo da
posição superior 726,60 mm para uma posição intermediária, atingindo o valor 497,60 mm,
conforme Figura 5.8. Nesta etapa, a CRR realizou todo o processo de subir e descer um
desnível.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50450
500
550
600
650
700
750Variação da Junta d2r
t(s)
d2r(
mm
)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50250
300
350
400
450
500Variação das Juntas d3f
t(s)
d3f
59 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
Figura 5.8 Estado S20: d2r atuando de 727,60 mm para 497,60 mm.
5.5 Estado S5 de Operação da CRR com Desnível de 115 mm.
Para analisar a atuação do controle proporcional para outros níveis de desnível, foi
realizada uma nova simulação com H igual a 115 mm, porém foi realizada análise apenas do
estado S5.
A junta dianteira, que se encontra sob o desnível, aciona a CRR saindo de sua posição
superior (612,60 mm) para a posição intermediária, atingindo o valor 497,60 mm. A junta
traseira (d2r) aciona a CRR, partindo da posição intermediária (497,60 mm) para uma posição
inferior, atingindo o valor 382,60 mm, conforme Figura 5.9.
Figura 5.9 Estado S5 com desnível de 115 mm: d3f atuando de 612,60 mm para 497,60 mm e
d2r atuando de 497,60 mm para 382,60 mm.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50450
500
550
600
650
700
750Variação da Junta d3f
t(s)
d3f
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50350
400
450
500
550
600
650Variação das Juntas d2r e d3f
t(s)
d2r
e d
3f
60 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
5.6 Atuação das Juntas d2r e d3f com Variação da Altura h.
Para demonstrar a atuação das juntas d2r e d3f com a variação de altura ―h‖, será
realizada a atuação simultânea das duas juntas, partindo inicialmente do valor intermediário
(497,60 mm) para 397,60 mm (Figuras 5.10 e 5.11). Posteriormente, parte do valor
intermediário (497,60 mm) para 597,60 mm (Figuras 5.12 e 5.13). A altura do desnível H
utilizada nesta simulação é 100 mm, o que conduz a um ângulo de 6,24 graus. A altura ―h‖
varia, neste caso, de 724,65 mm até 628,13mm.
Figura 5.10 Gráfico com a variação da junta d2r para 397,60 mm e altura ―h‖.
Figura 5.11 Gráfico com a variação da junta d3f para 397,60 mm e altura ―h‖.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50350
400
450
500
550
600
650
700
750Variação das Juntas d2r e h
t(s)
d2r
e h
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50350
400
450
500
550
600
650
700
750Variação das Juntas d3f e h
t(s)
d3f
e h
61 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
Figura 5.12 Gráfico com a variação da junta d2r para 597,60mm e altura ―h‖.
Figura 5.13 Gráfico com a variação da junta d3f para 597,60mm e altura ―h‖.
5.7 Controle da Altura h.
Para demonstrar a atuação do controle proporcional de altura para um desnível de 115
mm com base no controle cinemático, foram utilizadas as informações referentes ao estado
S5, onde a CRR realiza a etapa de subir a roda central estabilizando a mesma na altura do
desnível. As juntas d2r e d3f acionam simultaneamente. A junta dianteira, que se encontra sob
o desnível, aciona a CRR saindo de sua posição superior (612,60 mm) para a posição
intermediária, atingindo o valor 497,60 mm. A junta traseira (d2r) aciona a CRR, partindo da
posição intermediária (497,60 mm) para uma posição de 352,60 mm. A altura varia de 837,80
mm para 727,60 mm, conforme Figura 5.13.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50450
500
550
600
650
700
750
800
850Variação das Juntas d2r e h
t(s)
d2r
e h
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50450
500
550
600
650
700
750
800
850Variação das Juntas d3f e h
t(s)
d3f
e h
62 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
Figura 5.14 Gráfico com a variação da altura ―h‖ para um desnível de 115 mm.
Para demonstrar a atuação do controle proporcional de altura para um desnível de 230
mm com base no controle cinemático, foram utilizadas as informações referentes ao estado
S5, onde a CRR realiza a etapa de subir a roda central estabilizando a mesma na altura do
desnível. As juntas d2r e d3f acionam simultaneamente. A junta dianteira, que se encontra sob
o desnível, aciona a CRR saindo de sua posição superior (727,60 mm) para a posição
intermediária, atingindo o valor 497,60 mm. A junta traseira (d2r) aciona a CRR, partindo da
posição intermediária (497,60 mm) para uma posição de 267,60 mm. A altura varia de 934,49
mm para 727,60 mm, conforme Figura 5.15.
Figura 5.15 Gráfico com a variação da altura ―h‖ para um desnível de 230 mm.
5.8 Controle do Ângulo .
Para demonstrar a atuação do controle proporcional do ângulo para um desnível de
115 mm com base no controle cinemático, foram utilizadas as informações referentes ao
estado S5, onde a CRR realiza a etapa de subir a roda central estabilizando a mesma na altura
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50720
740
760
780
800
820
840Variação da altura h(mm)
t(s)
altura
(mm
)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50700
750
800
850
900
950Variação da altura h(mm)
t(s)
h(m
m)
63 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
do desnível. As juntas d2r e d3f acionam simultaneamente. A junta dianteira, que se encontra
sob o desnível, aciona a CRR saindo de sua posição superior (612,60 mm) para a posição
intermediária, atingindo o valor 497,60 mm. A junta traseira (d2r) aciona a CRR, partindo da
posição intermediária (497,60 mm) para uma posição de 352,60 mm. O ângulo varia de
97,18 para 90, conforme Figura 5.16.
Figura 5.16 Gráfico com a variação do ângulo para um desnível de 115 mm.
Para demonstrar a atuação do controle proporcional do ângulo para um desnível de
230 mm com base no controle cinemático, foram utilizadas as informações referentes ao
estado S5, onde a CRR realiza a etapa de subir a roda central estabilizando a mesma na altura
do desnível. As juntas d2r e d3f acionam simultaneamente. A junta dianteira, que se encontra
sob o desnível, aciona a CRR saindo de sua posição superior (727,60 mm) para a posição
intermediária, atingindo o valor 497,60 mm. A junta traseira (d2r) aciona a CRR, partindo da
posição intermediária (497,60 mm) para uma posição de 262,60 mm. O ângulo varia de
104,47 para 90.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
90
95
100
105Variação do ângulo(º)
t(s)
ângulo
(º)
64 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
Figura 5.17 Gráfico com a variação do ângulo para um desnível de 230 mm.
5.9 Conclusão
Neste capítulo foram realizados testes e simulações, onde foi possível analisar e
compreender os tempos envolvidos em cada estado e comprovar a possibilidade de realizar a
tarefa desejada, realizando o controle do ângulo de atitude e altura do robô em diferentes
condições.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
90
95
100
105Variação do ângulo(º)
t(s)
ângulo
CAPÍTULO 6
CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho apresentou o desenvolvimento do projeto e simulação de uma cadeira
de rodas robótica para transporte de portador de necessidades especiais que supera
obstáculos como um desnível e barreiras existentes à acessibilidade em ruas e avenidas,
realizando o controle proporcional do ângulo de atitude e altura da cadeira, onde foi
realizado o modelamento e controle cinemático do sistema utilizando arquitetura paralela. A
maior motivação deste trabalho é proporcionar uma melhor qualidade de vida às pessoas
portadoras de necessidades especiais. O principal objetivo da dissertação foi o
desenvolvimento do sistema robótico, realizando um estudo sobre arquitetura paralela que
foi aplicada a este sistema robótico.
Em função dos estados de operação da CRR, pode-se afirmar que o sistema proposto
realiza as etapas de subir e descer o desnível atingindo sua finalidade e mantendo a
plataforma na horizontal de forma rápida, exata, confiável e precisa, através do acionamento
dos atuadores prismáticos e rotacionais e da utilização de um controle proporcional baseado
na cinemática, controlando o ângulo de atitude e a altura da base da cadeira, cujo controle
apresenta características não-lineares, devido ao acionamento das juntas prismáticas e
rotacionais e às características do mecanismo.
Os resultados obtidos com a simulação foram confrontados com um protótipo que foi
desenvolvido, validando os mesmos. O valor máximo do desnível H utilizado nas simulações
foi 230 mm, porém o protótipo desenvolvido pode subir ou descer desnível com até 300 mm.
O valor máximo normalizado para construção de desnível é 200 mm. Os ganhos do
controlador proporcional utilizados permitiram realizar as simulações dentro dos parâmetros
da planta, onde foram utilizados diferentes ganhos para diferentes valores do desnível.
Verificou-se que a acessibilidade é garantida com base no que estabelece os artigos
da NBR 9050/2004 (ABNT) e do Decreto 5296/2004 que regulamenta as Leis federais
10.048/2000 e 10.098/2000, atendendo pessoas com deficiência, mobilidade reduzida,
idosos, gestantes, obesos, entre outros. Porém, identifica-se a falta de atendimento às normas
e leis que determinam a eliminação de barreiras, provocando vários problemas e barreiras à
acessibilidade.
Quando se trata de inclusão social, todo esforço deve ser realizado, onde não se pode
negar o fato de que o poder público e cada um de nós têm o dever de melhorar a
acessibilidade e a qualidade de vida das pessoas em diversos ambientes e para diversos fins.
66 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
O deslocamento das pessoas a vários locais como escolas, igrejas, padarias, restaurantes,
bancos, e hotéis, consiste em direito constitucional a ser preservado.
Finalmente, conclui-se que o sistema proposto com arquitetura paralela é adequado
ao uso por portadores de necessidades especiais, principalmente devido a sua capacidade de
subir e descer desníveis, além de realizar o controle de ângulo de atitude e altura, mantendo
o usuário na posição horizontal de forma confortável e segura.
6.1 Trabalhos Futuros.
Mesmo com a evolução obtida durante a etapa de desenvolvimento da CRR,
comprovando sua necessidade e sua viabilidade para atender pessoas com necessidades
especiais durante deslocamentos em ruas e avenidas, alguns pontos que não foram abordados
são importantes e devem ser considerados em futuros trabalhos, tais como:
Realizar o controle proporcional, integral e derivativo.
Obter resultados reais de uma planta para todas as etapas de subir e descer
desníveis.
Realizar a modelagem cinemática de toda a planta, composta das quatro juntas
prismáticas e quatro juntas rotacionais.
Adicionar quatro juntas rotacionais para girar as rodas, facilitando manobras.
Além de subir ou descer desníveis, conseguir subir ou descer uma escadaria.
Realizar o controle de trajetória.
Utilizar diferentes sensores para controle de atitude e altura.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABB robotics. ABB robotics website. Acesso em: 20.11.2012. Disponível em:
<http:// http://www.abb.com.br/product/us/9AAC910011.aspx>.
ABNT NBR 9050/2004: Acessibilidade a edificações, mobiliário, espaços e equipamentos
urbanos. (Disponível em: < http://pfdc.pgr.mpf.gov.br/atuacao-e-conteudos-de-
apoio/legislacao/pessoa-deficiencia/norma-abnt-NBR-9050/view>, acesso em: 20.11.12)
Adept robotics. Parallel Robot (Delta Robot): Adept Quattro s650H. Acesso em:
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