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IMPLEMENTA¸ C ˜ AO DE UMA PLATAFORMA M ´ OVEL E AUT ˆ ONOMA PARA CARREGAMENTO DE EXPLOSIVOS NA MINERA ¸ C ˜ AO Jhony Alan Tavares Ferreira *† , Aline Xavier Fidˆ encio *† , ector Azp´ urua * , Gustavo Medeiros Freitas * , Wilson Miola * * Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil InstitutoTecnol´ogicoVale Unidade de Minera¸ c˜ao Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil Emails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Abstract— The development of mining technologies has grown significantly in recent years. For mining com- panies, the adoption of new technologies on automation and remote operation represents a great opportunity for gains in productivity and safety. This paper describes the development of an integrated solution for autonomous navigation and manipulation that can be applied to mining processes. The proposed solution was validated with simulated and real tests; the target application is the autonomous explosive charging. This solution can reduce or eliminate the risks to which operators are exposed in environments such as rock blast areas. The tests were carried out in laboratory, using a mobile platform with a robotic arm. Keywords— automation, robotics, autonomous navigation and manipulation Resumo— O desenvolvimento de tecnologias aplicadas a minera¸ c˜ao tem crescido significativamente nos ´ ultimos anos. Para as mineradoras, a ado¸c˜ao de novas tecnologias em automa¸c˜ao e opera¸ c˜ao remota representa uma grande oportunidade para ganhos em produtividade e seguran¸ca. Este artigo apresenta o desenvolvimento de uma solu¸c˜ ao integrada para navega¸c˜ao e manipula¸ c˜ao autˆonomas que pode ser utilizada em processos de minera¸c˜ ao. Asolu¸c˜aoproposta´ e validada atrav´ es de simula¸c˜oes e testes reais; a aplica¸c˜ao alvo escolhida foi o carregamento autˆonomo de explosivos. Essa aplica¸c˜ao pode reduzir e at´ e eliminar os riscos a que os operadores est˜ ao expostos em ambientes como ´area de desmonte de rochas com presen¸ca de explosivos. Os testes foram realizados em laborat´orio, utilizando uma plataforma m´ovel de m´ edio porte com um bra¸co rob´otico acoplado. Palavras-chave— automa¸c˜ ao,rob´otica,navega¸c˜ aoemanipula¸c˜aoautˆonomas 1 Introdu¸c˜ ao A cria¸ ao e a difus˜ ao de novas tecnologias tˆ em pro- movido um cen´ ario de importantes mudan¸ cas no setor de minera¸ ao. Para as mineradoras, a ado- ¸c˜ ao de novas tecnologias representa uma grande oportunidade para ganhos em produtividade e se- guran¸ca (Mesquita et al., 2016). A Vale possui um projeto piloto de mina autˆ o- noma em andamento na mina de Brucutu. Atra- es da automa¸ ao e opera¸ ao remota, o projeto busca m´ etodos mais eficientes e seguros de mine- ra¸c˜ ao. A empresa conta com caminh˜ oes autˆ ono- mos, 1 perfuratriz autˆ onoma, 1 trator teleoperado e 1 caminh˜ ao autˆ onomo para carregamento de ex- plosivos em fase de desenvolvimento. Al´ em disso, a empresa possui aplica¸ oes de sistemas rob´ oti- cos em constru¸ ao de t´ uneis, lavagem de cami- nh˜ oes, reparo de vag˜ oes e inspe¸c˜ ao de cavidades (Mourao, 2014; DeFatoOnline, 2014). Existem v´ arios processos na minera¸c˜ ao que podem ser automatizados. A prioridade ´ e feita considerando principalmente os fatores: segu- ran¸ ca, eficiˆ encia e padroniza¸c˜ ao. Como exemplo de atividades que envolvem alto risco podem ser citadas as opera¸c˜ oes de transporte, carregamento edetona¸c˜ ao de explosivos relacionados ao des- monte de rochas. O desmonte de rochas na minera¸c˜ ao ´ e o pro- cesso de retirada de materiais de uma estrutura vertical dentro da mina, mediante a explos˜ ao de um ou m´ ultiplos furos, para formar plataformas horizontais. Embora existam grandes progressos nasopera¸c˜ oes com explosivos, fatalidades ainda ao decorrentes, principalmente devido ao manu- seamento inadequado de explosivos e ` aseguran¸ca inadequada da ´ area de detona¸c˜ ao. Devido aos ris- cos relacionados ` as opera¸ oes que envolvem ex- plosivos, j´ a existem v´ arias pesquisas sobre equi- pamentos autˆ onomos relacionadas a essas ativi- dades, particularmente na etapa de carregamento (Bonchis et al., 2014; Young, 2002). Este trabalho prop˜ oe um estudo prospectivo e teste de conceito para a programa¸c˜ ao de equi- pamentos autˆ onomos com capacidade de navega- ¸c˜ ao e manipula¸c˜ ao de objetos. Aaplica¸c˜ ao alvo escolhida foi o carregamento de explosivos. Os testes foram realizados em laborat´ orio utilizando uma plataforma m´ ovel com um bra¸co rob´ otico acoplado. Na pr´ oximase¸c˜ ao deste artigo ser˜ ao apresen- tados os trabalhos relacionados mais relevantes no XIII Simp´osio Brasileiro de Automa¸ ao Inteligente Porto Alegre – RS, 1 o – 4 de Outubro de 2017 ISSN 2175 8905 725

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  • IMPLEMENTACAO DE UMA PLATAFORMA MOVEL E AUTONOMA PARACARREGAMENTO DE EXPLOSIVOS NA MINERACAO

    Jhony Alan Tavares Ferreira, Aline Xavier Fidencio, Hector Azpurua, GustavoMedeiros Freitas, Wilson Miola

    Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas

    Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil

    Instituto Tecnologico ValeUnidade de Mineracao

    Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil

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

    Abstract The development of mining technologies has grown significantly in recent years. For mining com-panies, the adoption of new technologies on automation and remote operation represents a great opportunity forgains in productivity and safety. This paper describes the development of an integrated solution for autonomousnavigation and manipulation that can be applied to mining processes. The proposed solution was validated withsimulated and real tests; the target application is the autonomous explosive charging. This solution can reduceor eliminate the risks to which operators are exposed in environments such as rock blast areas. The tests werecarried out in laboratory, using a mobile platform with a robotic arm.

    Keywords automation, robotics, autonomous navigation and manipulation

    Resumo O desenvolvimento de tecnologias aplicadas a mineracao tem crescido significativamente nos ultimosanos. Para as mineradoras, a adocao de novas tecnologias em automacao e operacao remota representa umagrande oportunidade para ganhos em produtividade e seguranca. Este artigo apresenta o desenvolvimento de umasolucao integrada para navegacao e manipulacao autonomas que pode ser utilizada em processos de mineracao.A solucao proposta e validada atraves de simulacoes e testes reais; a aplicacao alvo escolhida foi o carregamentoautonomo de explosivos. Essa aplicacao pode reduzir e ate eliminar os riscos a que os operadores estao expostosem ambientes como area de desmonte de rochas com presenca de explosivos. Os testes foram realizados emlaboratorio, utilizando uma plataforma movel de medio porte com um braco robotico acoplado.

    Palavras-chave automacao, robotica, navegacao e manipulacao autonomas

    1 Introducao

    A criacao e a difusao de novas tecnologias tem pro-movido um cenario de importantes mudancas nosetor de mineracao. Para as mineradoras, a ado-cao de novas tecnologias representa uma grandeoportunidade para ganhos em produtividade e se-guranca (Mesquita et al., 2016).

    A Vale possui um projeto piloto de mina auto-noma em andamento na mina de Brucutu. Atra-ves da automacao e operacao remota, o projetobusca metodos mais eficientes e seguros de mine-racao. A empresa conta com caminhoes autono-mos, 1 perfuratriz autonoma, 1 trator teleoperadoe 1 caminhao autonomo para carregamento de ex-plosivos em fase de desenvolvimento. Alem disso,a empresa possui aplicacoes de sistemas roboti-cos em construcao de tuneis, lavagem de cami-nhoes, reparo de vagoes e inspecao de cavidades(Mourao, 2014; DeFatoOnline, 2014).

    Existem varios processos na mineracao quepodem ser automatizados. A prioridade e feitaconsiderando principalmente os fatores: segu-ranca, eficiencia e padronizacao. Como exemplode atividades que envolvem alto risco podem sercitadas as operacoes de transporte, carregamento

    e detonacao de explosivos relacionados ao des-monte de rochas.

    O desmonte de rochas na mineracao e o pro-cesso de retirada de materiais de uma estruturavertical dentro da mina, mediante a explosao deum ou multiplos furos, para formar plataformashorizontais. Embora existam grandes progressosnas operacoes com explosivos, fatalidades aindasao decorrentes, principalmente devido ao manu-seamento inadequado de explosivos e a segurancainadequada da area de detonacao. Devido aos ris-cos relacionados as operacoes que envolvem ex-plosivos, ja existem varias pesquisas sobre equi-pamentos autonomos relacionadas a essas ativi-dades, particularmente na etapa de carregamento(Bonchis et al., 2014; Young, 2002).

    Este trabalho propoe um estudo prospectivoe teste de conceito para a programacao de equi-pamentos autonomos com capacidade de navega-cao e manipulacao de objetos. A aplicacao alvoescolhida foi o carregamento de explosivos. Ostestes foram realizados em laboratorio utilizandouma plataforma movel com um braco roboticoacoplado.

    Na proxima secao deste artigo serao apresen-tados os trabalhos relacionados mais relevantes no

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  • contexto do presente trabalho para navegacao emanipulacao autonomas. Em seguida, a descricaodo problema, solucao proposta e metodologia uti-lizada sao apresentadas na secao III. Na secao IVsao mostrados os resultados obtidos a partir dosexperimentos realizados em laboratorio. Por ul-timo, na secao V sao apresentadas as conclusoes etrabalhos futuros.

    2 Trabalhos Relacionados

    Existem varias aplicacoes de tecnicas de navega-cao e manipulacao em equipamentos autonomos,como o Hot Metal Carrier (Roberts et al., 2007).Este equipamento e capaz de navegar, desviar deobstaculos e manipular um cadinho com alumniofundido de forma autonoma. O sistema de locali-zacao do veculo e feito por odometria, com auxliode GPS. A deteccao de obstaculos e mapeamentodo ambiente e realizada via lasers planares. Asoperacoes de manipulacao sao dividas em pegare soltar o cadinho. Inicialmente e realizada umaaproximacao onde o cadinho pode ser detectadovisualmente, e entao o gancho do veculo e direci-onado para segura-lo.

    No setor da mineracao e possvel citar osistema robotico de carregamento de explosivosRECS (Bonchis et al., 2014). O equipamento de-senvolvido consiste em um caminhao acoplado deum manipulador mecanico com 6 graus de liber-dade. Para realizar o carregamento de explosivosde forma autonoma, o RECS possui um sistema dedeteccao de furos, processamento de imagem paraauxiliar no posicionamento do efetuador, e plane-jamento e controle de trajetorias. A deteccao defuros e feita atraves de um sistema de escanea-mento e mapeamento baseado em lasers acopla-dos no efetuador. O processamento de imagense feito por cameras, montadas sobre o efetuador,que fornecem estimativas confiaveis da localizacaodos furos. O planejamento e controle de trajeto-rias e feito utilizando a tecnica de campos poten-ciais.

    Um exemplo relevante de aplicacao de tecni-cas de navegacao e manipulacao autonomas e orobo humanoide Dynamaid, utilizado para servi-cos domesticos (Stuckler and Behnke, 2009). Aestrutura do robo e dividida em duas partes, basee corpo superior antropomorfico. A base e com-posta por 4 pares de rodas direcionais, com aci-onamento diferencial individual, que possibilitama navegacao ominidirecional. O corpo superior ecomposto por 2 bracos antropomorficos. Dentre asdiversas funcionalidades do Dynamaid, vale desta-car as tecnicas utilizadas para navegacao, manipu-lacao e deteccao de objetos.

    Navegacao: para navegar de forma autonomao robo precisa estimar a sua posicao num de-terminado mapa, planejar uma trajetoria livre

    de obstaculos, e ser capaz de mapear ambientesdesconhecidos atraves dos seus sensores. Paraestimar a posicao inicial no mapa foi utilizadoo algoritmo Adaptive Monte Carlo Localization(Fox, 2003). O planejamento de trajetoria foi im-plementado por algoritmos de busca heurstica A*(Hart et al., 1968). Por ultimo, no mapeamentode ambientes desconhecidos foi utilizada a tecnicade mapeamento e localizacao simultaneos (SLAM)atraves dos algoritmos FastSLAM (Montemerloet al., 2003) e GMapping (Grisetti et al., 2007).

    Manipulacao: para resolver de forma robustaas tarefas de manipulacao movel, foram integra-dos a deteccao de objetos, a navegacao e as pri-mitivas de movimento. O robo pode agarrar obje-tos, carrega-los e entrega-los a usuarios humanos.Para agarrar um objeto em uma localizacao espe-cfica o robo navega ate uma posicao proxima aoobjeto, e entao utiliza um sistema de lasers quedetectam a posicao vertical e horizontal desejadapara guiar os manipuladores.

    Deteccao e reconhecimento de objetos: para adeteccao e localizacao e utilizado um laser Ho-kuyo. Uma vez alinhado ao plano dos objetos,o laser realiza um escaneamento horizontal paradetecta-los. Segmentos com tamanhos e largurasespecficos sao considerados como objetos poten-ciais. O reconhecimento dos objetos e feito porprocessamento de imagens atraves da comparacaode cores e descritores.

    Exemplos mais recentes de tecnicas de nave-gacao e manipulacao autonomas sao encontradasnos robos desenvolvidos para o Darpa RoboticsChallenge 2015. O vencedor da competicao, oDRC-HUBO, possui um sistema de deteccao e lo-calizacao de objetos baseado em processamento deimagens estereo (Shim et al., 2016).

    3 Metodologia

    O problema abordado neste trabalho e o carrega-mento autonomo de explosivos, o qual consiste nainsercao autonoma de explosivos em furos reali-zados na regiao de desmonte de minerio. Tradi-cionalmente, o carregamento de explosivos requeruma equipe especialista e um veculo preparadopara transporte dos materiais relacionados a deto-nacao. Na regiao de desmonte, o operador localizae insere uma mangueira no furo de detonacao e ocarregamento de explosivos e feito por uma bombaque, atraves da mangueira, transporta os explosi-vos do veculo para dentro do furo. Por ultimo, ooperador monta o detonador e insere o dispositivode detonacao no furo como observado na Figura 1(Mendes, 2010).

    Neste trabalho e proposta a emulacao de umcarregamento de explosivos, onde as atividadesque seriam executadas pela equipe treinada sao re-alizadas por uma plataforma movel equipada com

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  • Figura 1: Operador inserindo dispositivos de de-tonacao no furo de forma manual. (Desmontec,2012)

    um braco manipulador. Assim, as atividades quea plataforma deve executar sao: navegar ate aregiao do furo e identificar a sua posicao, utili-zar o manipulador para inserir uma mangueira naabertura e finalmente realizar o descarregamentodos explosivos. Um diagrama da metodologia pro-posta em alto nvel pode ser observada na Figura2.

    A solucao proposta de navegacao e manipula-cao autonomas foi validada atraves de testes simu-lados e com robo real em ambientes controlados.Para efeitos de simplificacao nos testes reais, e as-sumido que o furo de detonacao e representadopor um crculo no chao. A insercao da mangueirano furo e descarregamento de explosivos sao re-presentados pelo posicionamento do efetuador dobraco sobre o crculo.

    3.1 Componentes do sistema

    O sistema proposto usa como plataforma movel oSeekur Jr, o qual esta equipado com um bracomanipulador Schunk Powerball (Figura 3). Paraintegrar e controlar o sistema via software foiutilizado o ROS (Robot Operation System), umsistema de codigo aberto que fornece ferramen-tas e aplicacoes para controle robos e sensores(Joseph, 2015).

    3.1.1 Plataforma Movel

    O Seekur Jr e uma plataforma movel utilizadaem pesquisa e desenvolvimento de aplicacoes derobos. A plataforma se locomove pelo metodo dederrapagem (skid-steering) atraves de 4 rodas fi-xas com acionamento diferencial feito por 2 moto-res reversveis. A plataforma integra os seguintesdispositivos que auxiliam na autonomia do robo:

    Laser range finder SICK LMS-111; Camera PTZ RVision SEE; Camera estereo MobileRanger C3D; Unidade de Medicao Inercial; GPS AgGPS 372; Roteador sem fio WRAP; Sensores de toque (bumpers).

    O Seekur Jr possui uma arquitetura em duascamadas, composta por um microcontrolador eum computador embarcados. O microcontrola-dor opera o firmware SeekurOS que funcionacomo uma interface para a comunicacao com osdispositivos da plataforma. O computador operacom o sistema operacional Ubuntu 12.04 e utilizasoftwares que enviam comandos para os dispositi-vos do robo atraves da interface SeekurOS.

    3.1.2 Braco Manipulador

    O Schunk Powerball LWA 4P e um braco robo-tico de 6 graus de liberdade. O dispositivo e cons-titudo por tres juntas compactas denominadasmodulos ERB que integram dois eixos perpendi-culares juntamente com seus circuitos de controlee acionamento. O manipulador possui um posici-onamento preciso devido a utilizacao de reducoesharmonic drive (sem folga), tornando-o ideal paratarefas roboticas de alta precisao (Memar and Es-fahani, 2015). O braco e equipado com um efetu-ador de 1 grau de liberdade e um sensor de forcae torque FTM 75.

    3.2 Metodo proposto

    A solucao proposta para o problema de carrega-mento autonomo de explosivos pode ser divididaem tres grande etapas: (i) Navegacao autonoma(ii) Processamento de imagens para deteccao dofuro e (iii) Manipulacao do braco robotico (Figura2b).

    A comunicacao e controle do sistema foramfeitos via ROS atraves de pacotes adaptados parao Seekur Jr. Cada pacote possui uma funcionali-dade especfica no sistema. O processamento dedados do sistema foi divido em duas maquinas,um computador embarcado e outro externo.

    3.2.1 Navegacao Autonoma

    A navegacao autonoma foi utilizada para levar aplataforma ate a regiao do furo. Para realizar essatarefa, o sistema precisa mapear o ambiente, tra-car uma rota ate as coordenadas do furo e executara trajetoria desviando de obstaculos. Essa ativi-dade foi realizada atraves de um conjunto de pa-cotes do ROS (Navigation Stack) que juntos pla-nejam e controlam a trajetoria do robo 1.

    Os principais pacotes utilizados foram:

    p2os driver : driver para acionamento dos mo-tores da plataforma movel atraves de comandosde velocidade (/cmd vel). Disponibiliza interfacepara teleoperacao atraves de teclado ou joystick.

    lms1xx : le os valores de angulo e distancia for-necidos pelo laser e publica no topico /LaserScan.

    1O stack e descrito em http://wiki.ros.org/move_base.

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    http://wiki.ros.org/move_basehttp://wiki.ros.org/move_base

  • Figura 2: Diagrama de alto nvel da metodologia proposta: (a) Descricao das atividades executadas noteste de conceito e (b) metodos aplicados para realizar as atividades associadas.

    Figura 3: Robo usado como base da implementa-cao: Seekur Jr, equipado com braco manipuladorSchunk Powerball.

    gmapping : utiliza o metodo SLAM para ma-pear o ambiente e localizar o Seekur Jr no mapa(/map).

    move base: planeja e controla trajetorias paranavegacao autonoma com desvio de obstaculos.

    Usando o mapa gerado pelo pacote Gmapping,o move base cria uma trajetoria para a plataformase locomover entre um ponto inicial e final comdesvio de obstaculos. O pacote utiliza um pla-nejador global e local para realizar sua tarefa denavegacao.

    A trajetoria do ponto inicial ao final e feitapelo planejador global que se baseia no algoritmode Dijkstra (Dijkstra, 1959). O algoritmo busca arota com o menor custo entre dois vertices dentrode um grafo. Uma vez escolhido o vertice inicial,o algoritmo calcula o custo mnimo deste verticepara todos os demais vertices do grafo.

    A trajetoria global e utilizada como referen-cia para planejar as trajetorias locais com desviode obstaculos. O planejador local se baseia noalgoritmo Trajectory Rollout que se comporta deacordo com os passos a seguir:

    1. Realiza amostragem discreta de velocidades(dx, d) no espaco de controle da plataforma;

    2. Para cada velocidade amostrada, realiza a si-mulacao de avanco a partir do estado atual daplataforma para prever o que aconteceria se a

    Figura 4: Simulacao de avanco das velocidadesamostradas.

    velocidade amostrada fosse aplicada durantealgum perodo de tempo (Figura 4);

    3. Avalia (pontua) cada trajetoria resultante dasimulacao direta, utilizando uma metrica queincorpora caractersticas como: proximidadede obstaculos, proximidade do ponto final,proximidade da trajetoria global e velocidadeda plataforma. Descarta as trajetorias quecolidem com obstaculos;

    4. Escolhe a trajetoria de maior pontuacao e en-via a velocidade associada para a plataformamovel;

    As velocidade linear (dx) e de rotacao (d) saopublicadas no topico /cmd vel e entao enviadaspara o robo atraves do pacote p2os driver.

    3.2.2 Deteccao do furo

    O processamento digital de imagens foi utilizadopara localizar a posicao do furo com respeito aplataforma. Para isso, o sistema precisa identifi-car formas circulares ou elpticas e calcular a quedistancia elas se localizam com repeito ao sistemade coordenadas da plataforma.

    Essa tarefa foi feita a partir das imagens obti-das pela camera estereo acoplada no robo (Mobi-leRanger C3D). O software de processamento dasimagens do par estereo e constitudo por um dri-ver que utiliza a biblioteca OpenCV para calcu-lar o mapa de disparidade e fornecer as imagensRGB das cameras. Na imagem RGB e aplicadoum algoritmo de deteccao de crculos e elipses; oalgoritmo se baseia em uma estrategia de selecaode arcos candidatos para formar elipses e no usode transformadas Hough (Fornaciari et al., 2014).A imagem com disparidade e utilizada para cal-cular a distancia dos pontos da imagem onde umcrculo ou elipse foi detectado.

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  • Figura 5: Posicao (px, py) do furo com respeito aosistemas de coordenadas do robo.

    Quando a camera estereo detecta um crculoou elipse, e estimado mediante uma media movelde 5 valores o centroide da elipse e a distanciadesse centroide ate a camera pelo mapa de dispa-ridade. A media movel e usada para minimizaro erro proveniente de rudo ao estimar a posicaoreal do furo; a quantidade de amostras da me-dia foi obtida empiricamente mediante tentativa eerro. Estes valores, juntamente com a altura dolaser com relacao ao furo, sao utilizados para cal-cular a posicao deste com respeito ao sistema decoordenadas do robo, conforme a Figura 5.

    O eixo Y do sistema de coordenadas do robopossui origem no centro da plataforma, onde estalocalizada a camera estereo. Para conhecer a po-sicao do centro do furo observado no mapa de dis-paridade (py), com respeito ao eixo Y do robo, foiaplicada uma tecnica de interpolacao linear. Fo-ram amostradas coordenadas do mapa de dispa-ridade e comparadas manualmente com a medidade distancia real ate origem do eixo Y do robo.Finalmente as distancias reais foram interpoladase sao usadas como referencia para os algoritmosde planejamento.

    A posicao do furo no eixo X (px) e calculadaatraves da relacao de um triangulo retangulo px =d2 h2, onde h e altura do laser no eixo Z e d

    e a distancia do furo calculada pela camera.

    3.2.3 Planejamento e controle do bracomanipulador

    O braco manipulador foi usado para emular a in-sercao da mangueira no furo onde sao carregadosos explosivos. A emulacao da atividade consisteem receber as coordenadas do furo e finalmenteplanejar e executar uma trajetoria ate essa loca-cao de forma que o efetuador esteja orientado nadirecao vertical apontando para baixo. Para rea-lizar essa atividade foram utilizados os seguintespacotes:

    schunk robotics: driver e controlador do bracoSchunk. O controlador atua no espaco das juntasutilizando interpolacao pelo metodo spline.

    moveit : planeja trajetoria com desvio de obsta-culos e envia para o controlador do braco Schunk.Fornece interface grafica e uma variedade de algo-ritmos de planejamento de trajetoria com desviode obstaculos.

    seekurjr description: descreve o Seekur Jr noformato URDF (Unified Robot Description For-mat).

    O planejamento de trajetoria e realizado peloMoveIt!, o qual gera uma sequencia de pontos queo manipulador deve seguir. O algoritmo utili-zado foi o Rapdly Exploring Random Treed (RRT)(Kuffner and RRT-Connect, 2000). O RRT buscauma trajetoria entre dois pontos, dentro de umaarvore de configuracoes do braco, que nao colidacom obstaculos. A arvore e construda atraves daadicao de pontos aleatorios que pertencem ao es-paco de configuracoes e satisfazem as restricoes domanipulador (Algoritmo 1).

    Algoritmo 1 - Rapdly Exp. Random Tree

    1: funcao Gerar RRT(xinic,K,T )2: para k=1 ate K faca3: xaleat Config Aleatoria()4: xprox V izinh mais prox(xaleat, T )5: u Selec Entrada(xaleat, xprox)6: xnovo Novo Estado(xprox, u,T )7: T .adic vertice(xnovo)8: T .adic aresta(xnovo, xprox, u)9: fim para

    10: devolve T11: fim funcao

    A trajetoria gerada e enviada para o controla-dor do manipulador. O controlador utiliza o me-todo spline para interpolar os pontos e executar atrajetoria. O pacote seekurjr description e utili-zado para a construcao da matriz de conflitos doMoveit!. Atraves do modelo 3D do robo, e cal-culada a trajetoria para o manipulador de formaque ele nao atinja a sua propria estrutura ou aplataforma.

    3.2.4 Integracao do Sistema

    Para executar tarefas de navegacao e manipula-cao de forma totalmente autonoma, os sistemasde navegacao, processamento de imagens e mani-pulacao foram integrados para funcionar conjun-tamente.

    Os processos de navegacao e processamentode imagens sao iniciados simultaneamente, porem,a manipulacao e acionada somente depois que orobo atinge o ponto final de navegacao desejado.A partir deste momento, a posicao do crculo ouelipse detectada no processamento de imagens econsiderada como a posicao final desejada parao efetuador do braco Schunk. Assim, utilizandouma interface com o Moveit!, o sistema calcula

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  • a cinematica inversa da posicao desejada e buscatrajetorias para o manipulador utilizando o algo-ritmo RRT. Ao encontrar uma trajetoria, o bracoinicia o movimento e se posiciona com o efetuadorsobre o crculo ou elipse detectado.

    4 Resultados

    A validacao da solucao integrada de navegacao emanipulacao autonomas foi feita atraves experi-mentos reais e simulados de carregamento de ex-plosivos. O teste real foi feito num ambiente con-trolado onde o furo de detonacao e simulado porum crculo no chao. Os resultados podem ser divi-didos em 3 etapas conforme o diagrama de blocosda atividade apresentados na Figura 2a. Dado oponto do furo no mapa, o robo navega ate o mesmodesviando de obstaculos no caminho e entao uti-liza o processamento de imagens para posicionaro braco manipulador sobre o furo detectado 2.

    4.1 Navegacao ate o furo

    Antes de iniciar os testes foi realizado um mapea-mento do laboratorio usando o laser planar equi-pado no robo (Laser modelo Sick). Uma vez queo ambiente foi mapeado, o sistema recebe a posi-cao aproximada do furo no mapa de forma manual(Figura 6a). Entao, e iniciado o processo de plane-jamento de trajetorias onde sao criadas trajetoriasglobal e local. Conforme a Figura 6b, a trajetoriaglobal considera os obstaculos detectados anteri-ormente no mapa e termina na posicao do furo,enquanto a trajetoria local busca seguir a trajeto-ria global e ao mesmo tempo desviar de qualquerobstaculo que possa aparecer durante a navegacaoate o furo. A trajetoria completa executada pelorobo, desviando do obstaculo ate atingir o furo,pode ser visualizada na Figura 6c.

    4.2 Localizacao do furo

    A localizacao do furo e realizada atraves de proces-samento de imagens. Quando o robo se aproximado furo, as coordenadas da imagem (em pixels) ea distancia do furo (em centmetros) sao utiliza-das para calcular a posicao do furo com respeitoao sistema de coordenadas do robo (Figura 7).

    4.3 Posicionamento do manipulador sobre o furo

    O manipulador, Schunk LWA4P, opera somenteapos a conclusao da trajetoria de navegacao. Omanipulador recebe as coordenadas da localizacaodo furo calculadas atraves do processamento dasimagens da camera estereo. Em seguida, e geradaa cinematica inversa para que o efetuador estejana posicao do furo com orientacao voltada para

    2A demonstracao pratica deste teste trabalho podeser visualizada no link http://www.youtube.com/watch?v=a9WDfOBJ7X4.

    (a) Mapeamento em ambi-ente controlado: posicao dorobo e do furo de detonacao.

    (b) Planejamento de traje-torias: global e local.

    (c) Trajetoria executado pelo robopara atingir o furo.

    Figura 6: Etapas da navegacao no experimentoreal em ambiente controlado.

    (a) (b)

    Figura 7: Imagens da camera estereo: (a) Locali-zacao do furo usando deteccao de elipsoides e (b)mapa de disparidade da cena.

    baixo. Uma vez que a posicao final foi estimada, einiciado o planejamento e execucao da trajetoriautilizando o algoritmo RRT. O processo de posici-onamento do manipulador pode ser observado naFigura 8.

    (a) (b)

    Figura 8: Posicionamento do manipulador sobreo furo: (a) simulacao de trajetoria no ROS e (b)movimento real.

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    http://www.youtube.com/watch?v=a9WDfOBJ7X4http://www.youtube.com/watch?v=a9WDfOBJ7X4

  • 5 Conclusoes e Trabalhos Futuros

    Neste artigo foi apresentado um estudo prospec-tivo com experimentos reais para a programacaode equipamentos autonomos com capacidade denavegacao e manipulacao de objetos. O caso deuso abordado neste trabalho foi o carregamentode explosivos para furos de detonacao na minera-cao. Esta tarefa foi realizada usando uma plata-forma robotica movel comercial equipada com umbraco manipulador e sensores como laser planar,unidade de medicao inercial e camera estereo.

    A proposta desenvolvida neste trabalho envol-veu o uso extensivo da plataforma ROS (RobotOperating System) para executar as atividades denavegacao e manipulacao autonomas. O ROS pos-sibilitou a comunicacao e controle dos dispositivosde forma paralela e distribuda; o que facilitou naorganizacao e processamento de dados. Para a ta-refa de navegacao autonoma foram utilizadas astecnicas SLAM e Trajectory Rollout. Atraves doSLAM foi possvel mapear o ambiente e localizara posicao da plataforma simultaneamente. O pla-nejamento e execucao de trajetorias com desvio deobstaculos foi realizado com a tecnica de Trajec-tory Rollout.

    A manipulacao utiliza inicialmente a cameraestereo com a finalidade de reconhecer padroes eindicar o ponto objetivo para o manipulador. Como ponto objetivo calculado, o algoritmo RRT criapontos intermediarios que permitem tracar umatrajetoria para o manipulador.

    Os sistemas de navegacao, processamento deimagens e manipulacao foram integrados em umsistema unico. A solucao integrada foi validadacom sucesso atraves do teste de conceito proposto.

    Em trabalhos futuros serao realizados testesem ambientes externos, usando furos reais de de-tonacao. Futuramente o metodo proposto sera es-tendido para procurar as melhores rotas em ambi-entes nao estruturados, evitando obstaculos e lo-calizando os furos previamente definidos via co-ordenadas de GPS ou similar. Futuras extensoesdeste trabalho tambem envolvem o uso de sensores3D mais acurados para deteccao do furo e diferen-tes tipos de manipuladores.

    6 Agradecimentos

    Os autores gostariam de agradecer a equipe doLaboratorio de Robotica do Instituto TecnologicoVale. Este trabalho foi parcialmente financiadopela CAPES e Vale S.A.

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    https://goo.gl/oo60Irhttps://goo.gl/mCmjkbhttps://goo.gl/mCmjkbhttps://goo.gl/DERNQKhttps://goo.gl/DERNQK

    IntroduoTrabalhos RelacionadosMetodologiaComponentes do sistemaPlataforma MvelBrao Manipulador

    Mtodo propostoNavegao AutnomaDeteco do furoPlanejamento e controle do brao manipuladorIntegrao do Sistema

    ResultadosNavegao at o furoLocalizao do furoPosicionamento do manipulador sobre o furo

    Concluses e Trabalhos FuturosAgradecimentos