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ANALISE DE MOBILIDADE DE UM DISPOSITIVO ROBOTICO PARA INSPECAOREMOTA DE CAVIDADES

Filipe Augusto Santos Rocha∗†, Gustavo Medeiros Freitas∗, Paulo Henrique VieiraMagalhaes†, Wilson Miola∗, Ramon Nunes Araujo‡, Iuri Viana Brandi‡

∗Instituto Tecnologico Vale - MineracaoOuro Preto, MG, Brasil

†Escola de Minas - Universidade Federal de Ouro PretoDepartamento de Eng. de Controle e Automacao e Tecnicas Fundamentais

Ouro Preto, MG, Brasil

‡Vale S.A.Gerencia de Espeleologia

Diretoria de Planejamento e Desenvolvimento de Ferrosos

Emails: [email protected], [email protected], [email protected],

[email protected], [email protected], [email protected]

Abstract— One of the great motivations in the development of robots is to use them in dangerous environ-ments, where a person may be at risk. Vale’s speleology group has a robotic device, known as EspeleoRobo, toperform cave inspections, which are naturally hostile environments. Originally, the robot could move only usinglegs; however, an interchangeable locomotion system is proposed, allowing also the use of wheels, tracks, amongothers mechanisms. The present work aims to develop and analyze new locomotion modes for EspeleoRobo. TheV-REP simulator is used to perform several tests for mobility analysis through divers metrics. Preliminary fieldtests are made with the robot prototype. Finally, the results are discussed and the proposed locomotion modesare compared to each other.

Keywords— mobile robotics, mobility control, robotic simulation, ROS

Resumo— Uma das grandes motivacoes no desenvolvimento de robos e a utilizacao destes em ambientesonde o ser humano corra algum perigo. O grupo de espeleologia da Vale conta com um dispositivo robotico,conhecido como EspeleoRobo, para realizar inspecoes de cavidades naturais, que sao ambientes naturalmentehostis. O robo e baseado em um dispositivo hexapode; entretanto, um sistema intercambiavel dos mecanismosde locomocao e desenvolvido, o que permite utilizar no robo alem de pernas, rodas comuns, rodas tipo estrela,esteira, entre outros. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver e analisar novos modos de locomocaopara o EspeleoRobo. Um simulador e utilizado como plataforma de estudos e validacao de conceitos. Variosensaios sao realizados para analisar os modos de locomocao utilizando diferentes metricas de mobilidade. Testespreliminares de campo tambem foram feitos utilizando o prototipo do robo. Por fim, os resultados sao comentadose os modos de locomocao sao comparados entre si.

Palavras-chave— robotica movel, controle de mobilidade, simulacao robotica, ROS

1 Introducao

E recorrente nas areas de exploracao mineral odescobrimento de cavidades naturais. Por ques-toes legais e ambientais, nao e permitida a ex-ploracao economica destas areas sem antes haverum estudo destes ambientes. Certos cenarios po-dem levar ao impedimento exploratorio, como porexemplo, a presenca de uma especie vegetal ou ani-mal inedita. A investigacao entao e crucial paraavaliar a relevancia da cavidade e, consequente-mente, viabilizar a extracao mineral do entornoda mesma.

A Vale possui um grupo de espeleologia pararealizar estes estudos. Entretanto, cavidades na-turais podem ser ambientes hostis ao homem, ofe-recendo varios riscos (Figura 1). Visando a segu-ranca humana, um robo comercial teleoperado -conhecido como EspeleoRobo - foi adquirido como intuito de realizar uma exploracao inicial da ca-vidade. Os operadores podem utilizar os dados

Figura 1: Cavidades podem ser ambientes muito hos-tis aos seus exploradores.

coletados pelo robo para analisarem antecipada-mente os riscos do ambiente.

Do ponto de vista da robotica, cavidades na-turais sao extremamente desafiadoras, apresen-tando caracterısticas como: terrenos irregulares;ambientes confinados; dificuldade de comunicacao

XIII Simposio Brasileiro de Automacao Inteligente

Porto Alegre – RS, 1o – 4 de Outubro de 2017

ISSN 2175 8905 711

Figura 2: Configuracoes: hexapode original, apenas com rodas e hıbrida, respectivamente

sem fio; nao disponibilidade de sinal de GPS; entreoutros.

Ha um especial desafio na questao de mobili-dade, ja que geralmente a topografia destes ambi-entes e complexa. Seus terrenos nao estruturadospodem apresentar trechos planos e acidentados.Esta heterogeneidade obriga que o dispositivo ex-plorador possua um sistema de locomocao efici-ente, aliando capacidades de transpor obstaculos,economia de energia e payload.

Varios robos ja foram concebidos com o in-tuito de realizarem exploracoes ambientais. Obrasileiro Robo Ambiental Hıbrido e um desen-volvimento da PETROBRAS focado no monitora-mento de areas da Floresta Amazonica na regiaopor onde passa o gasouto Coari-Manaus. O dispo-sitivo utiliza um sistema de locomocao com rodasflutuaveis, permitindo-o se deslocar sobre terrenossecos ou pantanos (Freitas et al., 2010).

Especificamente para exploracao de cavi-dades, Thrun et al. (2003) desenvolveram oGroundhog. O dispositivo possui 700kg, 1m dealtura, 1,2m de largura e e capaz de mapear mi-nas subterraneas de forma autonoma ou teleope-rada. Suas grandes dimensoes porem o tornaminadequado para a exploracao de cavernas natu-rais. Por sua vez, o robo FREESE (Siles and Wal-ker, 2009) possui dimensoes reduzidas, mecanismode locomocao composto por rodas tipo estrela e emontado sobre um corpo flexıvel. Estas caracte-rısticas proporcionam a ele grande capacidade dese locomover dentro de cavidades; entretanto seupayload e muito baixo, o impedindo de transpor-tar muitos sensores ou equipamentos.

Baseado no robo multitarefa hexapode RHex(Saranli et al., 2001) da Boston Dynamics, o Es-peleoRobo da Vale e originalmente um robo co-mercial adquirido da Robocore, uma empresa bra-sileira especializada em guerra de robos. A es-colha da arquitetura hexapode foi devida a suagrande mobilidade em terrenos nao estruturados.Visando ampliar as capacidades de locomocao dodispositivo, o mesmo foi enviado ao laboratoriode robotica do Instituto Tecnologico Vale (OuroPreto, MG) para sofrer melhorias em seus com-ponentes fısicos e migracao para softwares maisflexıveis.

Visando a eficiencia de locomocao e que ca-

vidades naturais podem apresentar terrenos nasmais variadas formas, foi desenvolvido o sistemaintercambiavel de locomocao por meio de engaterapido. Este permite que o mecanismo de loco-mocao seja trocado de maneira rapida, sem a uti-lizacao de ferramentas. E possıvel entao, alem depernas, utilizar no dispositivo: rodas comuns; ro-das tipo estrela; esteiras e etc. O sistema - queesta atualmente em processo de patenteamento(Brandi, 2017) - proporciona flexibilidade ao robo,permitindo que este utilize o modo de locomocaomais adequado de acordo com o tipo de terrenoa ser transposto. O padrao de montagem tam-bem se torna customizavel, ja que e possıvel mon-tar o robo com apenas um tipo de mecanismo delocomocao ou em montagens hıbridas, utilizandodiferentes tipos em conjunto (Figura 2).

Tendo em vista todas estas caracterısticas doEspeleoRobo e com o intuito de explorar o poten-cial de seu sistema de troca rapida de modos de lo-comocao, o presente trabalho aborda o problemada mobilidade dentro de cavidades. O objetivoconsiste em desenvolver novos modos de locomo-cao para o EspeleoRobo, avaliando seus desem-penhos separadamente e, por fim, comparando-osentre si.

2 Analise de Mobilidade

Os robos moveis possuem inumeras maneiras dese locomoverem. Cada forma de locomocao ofe-rece um desafio, seja em questao de estabilidade,consumo energetico, payload, transposicao de obs-taculos, entre outros.

A presente secao apresenta, resumidamente,caracterısticas da mobilidade robotica relevantesao trabalho. Primeiramente e realizado um es-tudo sobre estabilidade na locomocao. Depois saorevistas as caracterısticas de dispositivos moveisque utilizam os seguintes mecanismos de locomo-cao: pernas, rodas e montagens hıbridas.

2.1 Metricas de estabilidade estatica

Neste artigo, a estabilidade e tratada como a ca-pacidade do dispositivo em manter a sustentacaopor meios proprios, sem tombar. Analisar a todo



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momento este parametro e um ponto importanteno desempenho de qualquer modo de locomocao.

Para realizar esta analise, diferentes metricasde estabilidade sao consideradas. Estas servempara avaliar o quao estavel um corpo se encontraem uma dada situacao. Diversas metricas sao pro-postas na bibliografia, sendo que cada uma levaem consideracao alguma caracterıstica do corpo,como: configuracao geometrica; forcas atuantes;altura do centro de gravidade; ou ate varias des-tas caracterısticas em conjunto.

As metricas podem ser avaliadas de forma di-namica ou estatica. As dinamicas consideram to-das as forcas atuantes no corpo; as metricas esta-ticas, por sua vez, consideram que apenas a gravi-dade esta atuando. Na pratica, estas sao validasem corpos desenvolvendo baixas velocidades e soba acao de disturbios irrelevantes. Devido a natu-reza de operacao do EspeleoRobo, que desenvolvevelocidades menores que 1m/s, podem ser conside-radas somente as analises estaticas de mobilidade.

A primeira metrica estudada - analise da mar-gem de estabilidade - e do tipo geometrica. Estacalcula a menor distancia, no plano horizontal, en-tre a projecao do Centro de Gravidade (CG) e asbordas do Polıgono de Suporte (PS) (Figura 3).O PS e definido como o involucro convexo do po-lıgono formado pelos pontos de contato entre roboe terreno (Freitas, 2014).

Figura 3: A esquerda, dispositivo em situacao incli-nada. A direita, Polıgono de Suporte (em azul), pro-jecao do CG (circulo vermelho) e margem de estabili-dade (reta em verde). A linha tracejada do PS indicaa parte frontal do robo.

Esta metrica e eficiente em denotar um limiaronde o robo se torna instavel, que e quando a pro-jecao do CG se encontra nas bordas ou fora do PS.Entretanto, a altura do CG ou as forcas atuantessobre este nao sao levadas em consideracao.

O Angulo de Tombamento (AT), por sua vez,e uma metrica que leva em consideracao estesdois fatores. Esta tecnica mostra o menor angulopara rotacionar o robo ate causar seu tombamento(Freitas, 2014).

Por fim, como proposto por Messuri and Klein(1985), a metrica da margem de estabilidade ener-getica leva em consideracao todas as caracterısti-cas vistas ate aqui e mais o peso do robo. Estaquantifica o trabalho a ser realizado para levar o

dispositivo de sua configuracao atual ate o tom-bamento.

2.2 Robos com pernas

Esta secao trata sobre os robos com pernas. Sendoeste um assunto muito extenso, sao vistas especi-ficamente as caracterısticas do robo RHex, que eo dispositivo no qual o EspeleoRobo foi baseado.

O RHex possui seis pernas e e construıdo vi-sando a incorporacao do menor numero possıvel desensores e atuadores. Esta simplicidade na mon-tagem leva a uma alta robustez e a uma maioreconomia de energia (Saranli et al., 2000).

Suas pernas sao semiarcos simples, acopladasao corpo do robo por juntas rotacionais. Estamontagem faz com que o movimento das pernasdurante a passada se faca acima do plano do dis-positivo, evitando a colisao em obstaculos rentesao solo. Aliando isto a sua construcao simetricacom respeito a seu plano sagital, torna-se possıvelque o robo locomova-se normalmente de cabecapara baixo.

Para se manter estaticamente estavel em umespaco tridimensional, um corpo precisa de, no mı-nimo, tres pontos de apoio. Por possuir tres per-nas a mais do que o mınimo necessario para man-ter sua sustentacao, o RHex pode utilizar as per-nas restantes para realizar manipulacoes simplesou procurar novos pontos de apoio (Tappeineret al., 2009). Esta caracterıstica permite ao robomanter uma pose estavel enquanto leva as pernaslivres para os pontos de apoio da proxima passada,caracterizando assim uma marcha estatica.

Marcha e a sequencia de movimentacao daspernas que dispositivos moveis realizam para ca-minhar. Existem inumeras marchas, sendo quecada uma possui suas caracterısticas de veloci-dade, consumo energetico e terreno ideal de lo-comocao.

A marcha mais popular em robos hexapodese a tripe. As seis pernas sao divididas alternada-mente em dois grupos que sao acionados com umsinal de controle defasado em 180◦. Desta ma-neira, enquanto um tripe realiza a proxima pas-sada, o outro mantem a sustentacao do corpo.Esta tecnica e altamente eficiente, proporcionandoboas velocidade e estabilidade, mesmo em terre-nos acidentados (Jun and Clark, 2009).

Caso a marcha e os metodos de negociacaode obstaculos forem bem implementados, os roboshexapodes podem apresentar grande vantagem so-bre os robos com rodas em questao transposicaode terrenos acidentados. As desvantagens residemna maior complexidade do controle de caminhar;em menores velocidades de deslocamento; na me-nor capacidade de payload e no maior consumoenergetico.



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2.3 Robos com rodas

A utilizacao de rodas como meio de locomocaoapresenta caracterısticas opostas ao uso de per-nas. Em geral, robos com rodas consumem menosenergia, possuem controle de estabilidade simplifi-cado e tem a capacidade de se locomoverem maisrapidamente; entretanto, apresentam mobilidaderestrita.

Durante a locomocao, as rodas mantem umpolıgono de sustentacao constante em torno doCG, o que garante a estabilidade sob condicoesnormais de operacao (Siciliano and Khatib, 2008).Entretanto, esta mesma peculiaridade limita amobilidade do dispositivo, ja que as rodas, quandoatuando sozinhas, conseguem transpor obstaculosde tamanho maximo igual ao seu proprio raio.

O consumo de energia nas rodas e menor de-vido a natureza constante de seu movimento. Du-rante a locomocao, o dispositivo mantem suas for-cas cinetica e potencial constantes. Ha perda deenergia nas juntas e no contato do mecanismo delocomocao com o solo, porem estas sao reduzidas.

Na locomocao com pernas, ha muita mudancade direcao no movimento dos mecanismos de loco-mocao, o que gera alto gasto energetico. As rodas,por sua vez, mantem sempre o mesmo movimentocinetico, devendo apenas repor as perdas mınimaspara manter a rotacao (Siegwart et al., 2011).

2.4 Montagens hıbridas

Conforme descrito anteriormente, as rodas saoadequadas a terrenos planos ou pouco acidenta-dos, desenvolvendo uma locomocao mais eficienteque as pernas neste tipo de solo. As pernas po-rem provem uma melhor mobilidade em terrenosmais acidentados, permitindo o alcance de pontosde apoios impossıveis as rodas.

Em terrenos planos, o consumo energetico dalocomocao com rodas e muito menor que com per-nas. Entretanto, a medida que o terreno apresentamaior atrito, as rodas sofrem maior perda energe-tica, chegando ao ponto das pernas entao se torna-rem mais vantajosas energeticamente. Isto se deveao fato de, durante a locomocao, as rodas mante-rem um constante contato com o solo, enquantoas pernas vao trocando os pontos de apoio sem to-car o terreno (Siegwart et al., 2011). A Figura 4compara as eficiencias energeticas entre diferentesmodos de locomocao.

Ja que cada mecanismo possui vantagens edesvantagens, o mesmo deve ser escolhido levandoem consideracao a finalidade do robo e o tipode terreno que este encontrara em suas missoes.Neste ambito, montagens hıbridas se mostram in-teressantes pois, se bem projetadas, podem reuniro que cada mecanismo possui de vantajoso (Eijiand Sei, 1993).

Figura 4: Comparacao da eficiencia entre diversos mo-dos de locomocao. Adaptado de Siegwart et al. (2011).

3 Simulacao

Simuladores sao largamente utilizados em robo-tica. Ainda que o objetivo final de um projeto sejao desenvolvimento de um prototipo, a simulacaoe geralmente implementada antes. Isto porque ossimuladores permitem que caracterısticas de umrobo sejam testadas de uma maneira mais rapidae barata (Michel, 2004).

O simulador utilizado neste trabalho e oVirtual Robot Experimentation Platform (ou V-REP). Este possibilita uma abstracao da cinema-tica e dinamica dos corpos, permitindo ao progra-mador focar na modelagem e controle do robo. Oprograma tambem permite a utilizacao de diver-sos tipos de interfaceamento, seja com plugins ououtros programas (Rohmer et al., 2013).

O EspeleoRobo foi inicialmente modelado noSolidWorks. Este permite nao apenas a sim-ples representacao tridimensional detalhada, comotambem realiza uma modelagem fısica do disposi-tivo. A partir do modelo virtual e possıvel obterdados como: localizacao do CG; peso estimado;volume e matriz de momentos de inercias. Os pe-sos calculados pelo programa foram 15,5kg parao chassi, 0,354kg para cada perna e 0,368kg paracada roda, valores estes muito proximos dos reais.Todos estes dados foram entao posteriormente im-portados no V-REP.

Foi implementada a integracao do simuladorcom o ROS. Esta foi feita para ser semelhante aintegracao com o prototipo. Os mesmos comandosdo joystick aplicaveis no EspeleoRobo podem serusados com o modelo virtual. Este tambem geraimagens similares as cameras reais embarcadas noprototipo (Figura 5).

Tais recursos viabilizam a utilizacao dos mes-mos codigos de controle nos dois dispositivos, reale virtual. Isto simplifica a programacao, uma vezque se torna possıvel testar os codigos de acio-



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Figura 5: Simulacao de ambiente representativo noV-REP. Em detalhe, visualizacao da camera grandeangular embarcada no robo.

namento antes mesmo de roda-los no prototipo,verificando nao apenas a presenca de falhas noscodigos, mas tambem a viabilidade e eficiencia dosmodos de locomocao propostos.

Esta fidelidade com o modelo real tambempermite a utilizacao do simulador no treinamentode novos operadores, que poderao experimentarantecipadamente o controle do EspeleoRobo emum ambiente virtual. Estes treinamentos podemreduzir as chances de danos ao prototipo por mo-tivos consequentes de ma conducao.

Por levar em consideracao a relacao peso ver-sus potencia do dispositivo, e possıvel calcular nosimulador o torque necessario aos motores pararealizar certo modo de locomocao e transpor umdado obstaculo. Esta fidelidade na representacaopermite estimar o nıvel de forca que sera normal-mente requisitado aos motores, ajudando inclusiveno projeto mecanico e na escolha de motores e re-dutores para o robo.

Posteriormente, foi implementada a integra-cao do V-REP tambem com o Matlab. Este am-biente e muito poderoso e flexıvel, permitindo aobtencao e tratamento de dados da simulacao emtempo de execucao pelo Matlab.

4 Testes e Discussoes

Testes foram realizados com o dispositivo real e ovirtual. Os modos de locomocao utilizados foram:6 rodas; 6 pernas; 4 rodas e 2 pernas. Esta escolhafoi feita para compararmos a eficiencia entre doismodos em extrema diferenca (rodas e pernas) eum hıbrido intermediario entre os dois.

A seguir estao apresentados os ensaios e re-sultados obtidos. Um vıdeo disponıvel on-line de-monstra todos os ensaios realizados 1.

1https://youtu.be/xn728n0CQqA

4.1 Transposicao de obstaculos em ambientecontrolado

Este ensaio visa descobrir, em um ambiente con-trolado de simulacao, o tamanho maximo dos obs-taculos que sao possıveis de transpor. Foi reque-rido ao robo subir uma escada cuja altura dosdegraus aumenta gradativamente a uma taxa de1,125cm. Os modos de locomocao testados foram:6 rodas; 6 pernas com marcha tripe; 4 rodas e 2pernas.

As maiores alturas de obstaculos transpostosforam de 23,75cm, 28,75cm e 33,75cm para os mo-dos 6 rodas, 6 pernas, e 4 rodas e 2 pernas, res-pectivamente.

Como esperado, o modo de locomocao com 6rodas foi o menos efetivo nas transposicoes. Aindaassim, mesmo as rodas possuindo 14cm de raio,obstaculos com alturas de ate 23,75cm foram ul-trapassados. Isto se deve ao trabalho em conjuntode todas as rodas. Enquanto as rodas dianteirastentam escalar o obstaculo, as traseiras proporci-onam tracao para tal. Assim que as rodas cen-trais atingem o topo do degrau, elas puxam todoo corpo do robo para cima, finalizando a transpo-sicao.

Desenvolvendo a marcha tripe, o modo com 6pernas foi mais eficiente nas transposicoes em re-lacao ao modo com rodas. Apesar de desenvolveruma locomocao pelo menos 4x mais lenta, houveum ganho consideravel na transposicao de obsta-culos, chegando a altura de 28,75cm. Para alturasmaiores que esta o robo capota.

No modo de locomocao com 4 rodas e 2 per-nas, enquanto utilizando somente as rodas, os obs-taculos maximos transpostos foram de 14cm. Po-rem, acionando as pernas laterais em auxılio (Fi-gura 6), o alcance maximo chegou a altura de33,75cm. Esta configuracao hibrida se mostroua mais eficiente na transposicao de obstaculos.

4.2 Simulacao em ambientes representativos

Foram realizados dois tipos de simulacao com fina-lidades distintas. O primeiro consistia na analiseda eficiencia de cada modo de locomocao apenas,analisando a mobilidade e a estabilidade de cadaum.

O segundo ensaio visava verificar como o pro-totipo real se comportaria enquanto desenvol-vendo cada modo de locomocao. Alem das ca-racterısticas de simulacao ja presentes no ensaioanterior, tambem foram levados em conta o torquemaximo disponıvel em cada eixo do mecanismo delocomocao no prototipo (3.564N.m) e os atritosinerentes a cada tipo de superfıcie.

Como ambiente de testes, foi importado nosimulador o mapeamento tridimensional de umacavidade real. O coeficiente de atrito deste ambi-ente foi configurado para ser similar ao de um solo



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Figura 6: Transposicao de um obstaculo utilizando 4 rodas e 2 pernas: a) inicio do movimento apenas com rodas;b) dispositivo preso no obstaculo; c) utilizacao das pernas para sair do bloqueio; d) obstaculo transposto.

arenoso. Desta maneira e criado um ambiente re-presentativo, simulando os desafios de locomocaoque poderao ser encontrados em campo (Figura5).

No primeiro tipo de simulacao, analisandoapenas a mobilidade de cada modo de locomocao,confirmaram-se varios dos conceitos bibliograficosvistos.

Utilizando seis rodas, o robo conseguiu atingirvelocidades de 0,84m/s. Porem, nos terrenos naoestruturados, sua mobilidade foi restrita, trans-pondo certos trechos com dificuldade e nao conse-guindo alcancar todas as partes do terreno.

Na configuracao apenas com pernas, a mobi-lidade do robo foi alta. Foi possıvel transpor osterrenos propostos de maneira estavel e eficiente.O problema deste modo reside em sua baixa velo-cidade de deslocamento, sendo em media 4x maislenta do que a locomocao com rodas.

O modo de locomocao hıbrido tambem conse-guiu alcancar todas as partes do terreno, demons-trando boa mobilidade. Alem disto, desenvolveuvelocidades iguais ao modo de locomocao apenascom rodas. Isto demonstra como este modo conse-gue unir eficientemente as vantagens da locomocaocom rodas e com pernas.

Tendo realizada a primeira parte dos testes, ocenario de simulacao foi configurado com os para-metros realistas de torque e atrito e todos os testesforam refeitos.

Simulando nestas condicoes o modo de 6 per-nas com marcha tripe, notou-se que o torque dis-ponıvel no robo utilizando a atual configuracao demotores e redutores e insuficiente. Muitas vezes,quando o robo precisa mover todo o seu corpo uti-lizando apenas uma perna, esta nao possui forcasuficiente para realizar o movimento. Esta defici-encia e altamente relevante a este modo, impos-sibilitando que o dispositivo se locomova com su-cesso nesta configuracao.

A simulacao realista do modo com 6 rodas foisimilar aquela do ensaio com parametros superdi-mensionados, havendo algumas restricoes apenasem terrenos de grande inclinacao. Isto se deve aofato das rodas nao necessitarem de aplicar tantotorque para a locomocao.

O modo de locomocao com 4 rodas e 2 per-nas demostrou uma pequena deficiencia na horade utilizar as pernas centrais. Estas apenas con-seguiam dar suporte para o robo transpor algum

obstaculo quando as rodas auxiliavam na tracao.Enquanto parado, as pernas nao conseguem sozi-nhas deslocar o robo.

Outro comportamento notado foi na situacaodo robo rotacionar sobre o proprio eixo. Para re-alizar esta tarefa, ele deve rotacionar as rodas decada lado do corpo em sentidos opostos. Por naohaver duas rodas a meio comprimento do corpodo robo, cujo eixo entre estas passe pelo CG, asrodas das extremidades sao as que sofrem maiorestresse durante o movimento. Por vezes o tor-que desenvolvido pelos motores nao era suficiente,causando o bloqueio de alguma das rodas.

Todas as caracterısticas, dinamicas e limita-coes notadas em simulacao foram posteriormenteconfirmadas no prototipo real.

4.3 Estabilidade

Este teste analisa o quao estavel e um certo modode locomocao quando aplicado ao EspeleoRobo.O ensaio foi realizado no V-REP e consistiu na lo-comocao do dispositivo sobre uma plataforma. Acada 2m, apenas o terreno sob o lado esquerdo dorobo decresce 5cm. Logo, a medida que percorre aplataforma, o angulo de inclinacao lateral do robovai aumentando ate chegar ao tombamento.

Sao coletados dados sobre a pose do robo comrespeito ao mundo e as metricas de estabilidadedescritas na secao 2.1 sao calculadas em tempo deexecucao. Os graficos da Figura 7 demonstram oangulo de tombamento do robo ao longo do trajetopara todos os modos de locomocao.

No momento inicial (tempo = 0s), o robose encontra na horizontal. Os angulos de tom-bamento para esta situacao sao 29,48◦, 48.84◦ e48.12◦ para os modos de locomocao com 6 pernas(sustentacao sobre um tripe), 4 rodas e 2 pernase 6 rodas, respectivamente. Isto demonstra que,mesmo em terreno sem inclinacao, o modo de loco-mocao com pernas e menos estavel. Isto se explicapelo fato da marcha tripe manter, em grande partedo tempo, um PS triangular em torno da projecaodo CG. Os modos de locomocao com rodas, porsua vez, descrevem Polıgonos de Sustentacao mai-ores, garantindo assim uma maior estabilidade.

A medida que o ensaio avanca, nota-se clara-mente os momentos em que a inclinacao lateral dorobo aumenta com a utilizacao de rodas. A esta-bilidade mantem-se praticamente constante nestes



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tempo [s]0 10 20 30 40 50 60

ângulo

[°]

-10

0

10

20

30

40

50Angulo de tombamento - 6 pernas

tempo [s]0 5 10 15 20

ângulo

[°]

-10

0

10

20

30

40

50Angulo de tombamento - 4 rodas

tempo [s]0 5 10 15 20 25 30

ângulo

[°]

-10

0

10

20

30

40

50Angulo de tombamento - 6 rodas

Figura 7: Angulo de tombamento do robo ao longo dos ensaios para os modos de locomocao com 6 pernas, 4rodas e 2 pernas e 6 rodas, respectivamente.

modos ate o momento em que uma nova alteracaona inclinacao e identificada. Ao final do ensaio, oAT se aproxima de zero e, enfim, torna-se nega-tivo, indicando assim que o dispositivo tombou.

Na locomocao com pernas, devido a sua na-tureza de movimento oscilatoria, nao e possıvelidentificar estes momentos de transicao de degrau.O AT varia em torno de seu valor no plano e, deuma vez, salta para valores negativos. O capota-mento ocorre de forma repentina, sem demonstrartendencias que previssem este evento.

Supondo-se entao um teste de campo com odispositivo real, a locomocao com rodas se tornamais confiavel. Seria possıvel prever situacoesonde ha a iminencia de capotamento e pronta-mente retirar o robo dela. Na locomocao compernas, porem, a previsao desta situacao e menosacurada, podendo fazer com que o operador ca-pote robo. Um eventual tombamento pode danifi-car os perifericos acoplados ao robo ou ate deixa-loimovel.

E importante ressaltar tambem que o CG dodispositivo como um todo ficara mais alto quandoa torre de instrumentacao for fixada a dorsal doEspeleoRobo. Isto diminuira a estabilidade dorobo e tornara uma locomocao oscilatoria - como acom pernas - altamente propensa a capotamentos.

4.4 Testes de campo

O prototipo foi levado a testes preliminares emcampo aberto onde caracterısticas de diversos ti-pos de terreno foram exploradas. Os modos delocomocao testados foram: 6 rodas; 4 rodas e 2pernas.

Normalmente, o modo com 6 pernas exigemaiores torques dos motores do que os modos comrodas. Foi constatado em testes iniciais com o pro-totipo que o torque maximo entregue pelos mo-tores eram insatisfatorios para a locomocao efici-ente com pernas. Estas nao conseguiam sincroni-zar corretamente com o comando enviado, fazendocom que o dispositivo constantemente caisse. De-vido a isto, este modo de locomocao nao foi levadoa campo e correcoes deste problema estao em fasede implementacao no prototipo.

O primeiro ensaio foi realizado na Mina deOuro da Passagem, em Mariana-MG. O desafioconsistia na teleoperacao em um ambiente similaraqueles que serao encontrados nas areas operaci-onais da mineracao. Por se tratar de uma areaturıstica, o terreno desta mina e bem estruturado,nao oferecendo grandes desafios a mobilidade dorobo. Entretanto, o maior teste foi com respeito acomunicacao base-dispositivo. Foi atingida a dis-tancia de 175m de comunicacao wireless em am-bito subterraneo; distancia esta notavel para estetipo de ambiente.

Em uma parceria com a prefeitura de OuroPreto, o EspeleoRobo foi utilizado na inspecao deminas em areas de risco (Figura 8). O dispositivofoi levado a uma cavidade de dimensoes reduzi-das em um dia de condicoes climaticas adversas.Apesar do consideravel volume de agua e barropresente, a locomocao do robo foi efetuada de ma-neira eficaz.

Mais recentemente o EspeleoRobo foi convo-cado para investigar a galeria do vertedouro dabarragem do Rio do Peixe (Itabira-MG), locali-zado em area da Vale. Esta e uma area confinadae a entrada de pessoal e proibida. O dispositivoteve de se locomover sobre dutos, o que exigiualta estabilidade e precisao do modo de locomo-cao. O teste foi um sucesso e as imagens geradas

Figura 8: Teste de campo em mina localizada em areade risco. Terreno lamacento e com poca d’agua dedifıcil locomocao.



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permitiram as equipes locais analisar a estruturada construcao, o que ha muito tempo nao era feito.

5 Conclusao

Apesar de ter sido concebido para inspecao de ca-vidades naturais, o EspeleoRobo se mostrou umdispositivo altamente versatil. O sistema desen-volvido de troca rapida do modo de locomocaogerou flexibilidade ao permitir que diversos meca-nismos possam ser desenvolvidos e utilizados nomesmo robo.

Os modos de locomocao testados em simula-dor foram: 6 rodas; 6 pernas; 4 rodas e 2 pernas.Foram analisadas varias caracterısticas de cadamodo, como: estabilidade; locomocao em ambi-ente representativo; simulacao do comportamentoreal; altura de obstaculos possıveis em se transpor.

No geral, o modo hıbrido de locomocao uti-lizando 4 pernas e 2 rodas se destacou. Ele de-monstrou possuir boas relacoes entre estabilidade,velocidade e capacidade em transpor obstaculos.

O V-REP e uma ferramenta extremamentepoderosa, sendo suas simulacoes muito proximasda realidade. Grande parte das dinamicas previs-tas neste ambiente foram comprovadas no proto-tipo, inclusive a ineficiencia da locomocao apenascom pernas devido ao baixo torque. Alem do mais,a fidelidade de interacao do dispositivo virtual emrelacao ao EspeleoRobo proporciona uma ferra-menta util no treinamento de novos operadores.

Testes de campo tambem foram realizadoscom o prototipo, que se demonstrou muito eficazna realizacao das tarefas propostas. O problemacom o torque abaixo do necessario ja se encontraem fase de resolucao.

Figura 9: EspeleoRobo com a torre de instrumenta-cao.

Em parceria com o SENAI/CIMATEC(Salvador-BA), uma torre de instrumentacao estasendo desenvolvida para ser afixada a dorsal dorobo com a finalidade de realizar o mapeamentotridimensional da cavidade. E indicado entaocomo trabalhos futuros a integracao do dispositivocom a torre de instrumentacao, tanto em simula-cao quanto no prototipo, para analisar qual sera

o comportamento dos modos de locomocao nestanova configuracao.

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer a equipe doLaboratorio de Robotica do Instituto TecnologicoVale e ao SENAI/CIMATEC. Este trabalho foiparcialmente financiado pela CAPES e Vale S.A.

Referencias

Brandi, I. V. (2017). Terrestrial mobile platform.

Eiji, N. and Sei, N. (1993). Leg-wheel robot: A futuristicmobile platform for forestry industry, pp. 109–112.

Freitas, G., Gleizer, G., Lizarralde, F., Hsu, L. and dosReis, N. R. S. (2010). Kinematic reconfigurabilitycontrol for an environmental mobile robot operatingin the amazon rain forest, Journal of Field Robotics27(2): 197–216.

Freitas, G. M. (2014). Reconfiguracao de robos moveis comarticulacao ativa navegando em terrenos irregulares,PhD thesis, COPPE-UFRJ.

Jun, J. Y. and Clark, J. E. (2009). Dynamic stability ofvariable stiffness running, Robotics and Automation,2009. ICRA’09. IEEE International Conference on,IEEE, pp. 1756–1761.

Messuri, D. and Klein, C. (1985). Automatic body regula-tion for maintaining stability of a legged vehicle du-ring rough-terrain locomotion, IEEE Journal on Ro-botics and Automation 1(3): 132–141.

Michel, O. (2004). Cyberbotics ltd. webots: professionalmobile robot simulation, International Journal of Ad-vanced Robotic Systems 1(1): 5.

Rohmer, E., Singh, S. P. and Freese, M. (2013). V-rep: A versatile and scalable robot simulation fra-mework, Intelligent Robots and Systems (IROS),2013 IEEE/RSJ International Conference on, IEEE,pp. 1321–1326.

Saranli, U., Buehler, M. and Koditschek, D. E. (2000). De-sign, modeling and preliminary control of a complianthexapod robot, Robotics and Automation, 2000. Pro-ceedings. ICRA’00. IEEE International Conferenceon, Vol. 3, IEEE, pp. 2589–2596.

Saranli, U., Buehler, M. and Koditschek, D. E. (2001).Rhex: A simple and highly mobile hexapod ro-bot, The International Journal of Robotics Research20(7): 616–631.

Siciliano, B. and Khatib, O. (2008). Springer handbook ofrobotics, Springer Science & Business Media.

Siegwart, R., Nourbakhsh, I. R. and Scaramuzza, D.(2011). Introduction to autonomous mobile robots,MIT press.

Siles, I. and Walker, I. D. (2009). Design, construction, andtesting of a new class of mobile robots for cave explo-ration, Mechatronics, 2009. ICM 2009. IEEE Inter-national Conference on, IEEE, pp. 1–6.

Tappeiner, H., Skaff, S., Szabo, T. and Hollis, R. (2009).Remote haptic feedback from a dynamic running ma-chine, Robotics and Automation, 2009. ICRA’09.IEEE International Conference on, IEEE, pp. 2368–2373.

Thrun, S., Hahnel, D., Ferguson, D., Montemerlo, M., Tri-ebel, R., Burgard, W., Baker, C., Omohundro, Z.,Thayer, S. and Whittaker, W. (2003). A system forvolumetric robotic mapping of abandoned mines, Ro-botics and Automation, 2003. Proceedings. ICRA’03.IEEE International Conference on, Vol. 3, IEEE,pp. 4270–4275.



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