DESENVOLVIMENTO DE UMA CADEIRA DE RODAS … · 2.2.1 Conceito da Tecnologia Assistiva ..... 5 2.2.2...

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




3.3.3.5 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;


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.


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

http://www.sedh.gov.br/


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,


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


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


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.


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).

http://www.freedom.ind.br/

http://www.toyota-global.com/innovation/personal_mobility/i-real.html



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

http://www.ibotnow.com/


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


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.


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.


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.


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).


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.


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.


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


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.


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).


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


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).


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).


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).


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).


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.


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.


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.


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).


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.


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).


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


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


(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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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).


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


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


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


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)


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.


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

)


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.


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


t(s)

d3f


Figura 5.6 Estado S17: d2r atuando de 497,60 mm para 727,60mm.


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


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


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


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


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


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


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)


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


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


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)


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.

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