Estrutura Básica da Robótica e Tipos de Robôs

Angelo Luis Ferreira | 21/02/2025 Acessos: 468

1. Estrutura Básica da Robótica

1.1. A Estrutura Básica da Robótica é composta pelos principais elementos que permitem que os robôs percebam, processem informações e interajam com o ambiente. Esses componentes trabalham de forma integrada para realizar tarefas específicas, desde operações simples até sistemas complexos. O estudo dessa estrutura é essencial para compreender o funcionamento de robôs e como eles podem ser aplicados em diferentes contextos.

1.2. Visão Geral dos Componentes: A estrutura da robótica pode ser dividida nos seguintes itens principais:

1.2.1. Corpo (Estrutura Física):

• A parte física que dá forma e suporte ao robô, possibilitando abrigar os componentes internos e realizar movimentos ou manipulações.
  
  • Representa a "carcaça" do robô.
  • Pode ter formas variadas, como humanoides, animais, drones ou industriais.
  • Pode ser fixo (braço robótico) ou móvel (robô humanoide, carrinho com rodas, drones).
  • O design do corpo influencia diretamente a mobilidade, eficiência e aplicação do robô.
  • Os materiais dependem da aplicação (ex.: aço para indústrias, plásticos leves para robôs móveis).
• A escolha da estrutura é um dos primeiros e mais importantes passos no desenvolvimento de sistemas robóticos.

1.2.2. Sensores (Percepção do Ambiente):
Os dispositivos responsáveis por captar informações do ambiente ou do próprio robô, fornecendo dados para análise e tomada de decisão. Os sensores são fundamentais para permitir que os robôs percebam e interajam com o mundo ao seu redor. Os tipos mais importantes de sensores incluem:

• Sensores visuais: câmeras, LIDAR, infravermelho.
• Sensores táteis: detectam pressão e textura.
• Sensores de proximidade: ultrassônicos, lasers.
• Sensores internos: giroscópios, acelerômetros.
• Sensores de Som (Acústicos): microfones, hidrofones (para ambientes aquáticos).
• Sensores de Temperatura: termistores, sensores infravermelhos passivos.
• Sensores de Luz (Luminosidade): Determinam a intensidade da luz no ambiente. Aplicados em sistemas de navegação e ajuste de câmeras.
• Sensores Químicos: Detectam a presença de gases ou substâncias químicas. Usados em robôs de inspeção ambiental ou segurança.
• Sensores de Força e Torque: Medem a força ou pressão exercida durante tarefas como agarrar objetos ou aplicar força em uma superfície.
• Sensores Magnéticos: Detectam campos magnéticos, usados para navegação em ambientes onde o GPS não funciona bem, como debaixo d'água ou em minas.
• Sensores de Fluxo: Detectam movimentos de fluidos em robôs industriais ou aquáticos.
• Sensores de Vibração: Monitoram irregularidades mecânicas para manutenção preventiva.
• Sensores Biológicos: Permitem que robôs reconheçam padrões biológicos, como batimentos cardíacos ou expressões faciais, facilitando a interação em contextos médicos ou sociais.

1.2.3. Cérebro (Sistema de Controle):
A unidade de processamento que interpreta os dados recebidos dos sensores e toma decisões baseadas em algoritmos e instruções programadas. Pode ser um microcontrolador (Arduino) ou um computador embarcado avançado (Raspberry Pi, NVIDIA Jetson) ou FPGA (Field Programmable Gate Array), circuito integrado que pode ser programado para executar diferentes funções.

1.2.4. Músculos (Atuadores):
Os dispositivos que convertem energia em movimento ou força, possibilitando que o robô execute tarefas físicas, como mover-se ou manipular objetos ao redor.

• Motores elétricos:
  • Motores DC (corrente contínua), motor de passo, servos motores
  • São usados em robôs pequenos e médios
• Atuadores pneumáticos:
  • Utilizam ar comprimido ou outros gases pressurizados para gerar movimento.
  • São mais baratos que os hidráulicos, mas também têm baixa precisão.
  • São comumente empregados em robôs de menor porte, pois são ideais para tarefas simples de pegar e colocar.
• Atuadores hidráulicos:
  
  • Usam fluido pressurizado para movimentos
  • São usados em robôs que precisam de muita potência e velocidade, mas têm baixa precisão

1.2.5. Ações (Efetuadores):
Os efetuadores são os componentes finais de um robô responsáveis por interagir fisicamente com o ambiente. Eles traduzem os comandos do "cérebro" (unidade de controle) em ações concretas, como movimentar, agarrar, cortar, pintar ou manipular objetos.

Efetuadores de Manipulação

• Descrição: São projetados para manipular objetos, como agarrar, segurar, apertar ou mover itens no ambiente.
• Exemplos:
  • Braços: Usados para posicionar pinças, grarras ou ferramentas em uma ou mais dimensões.
  • Pinças: Usadas para agarrar pequenos objetos.
  • Garras multifuncionais: Podem manipular uma ampla gama de tamanhos e formas.
  • Sucção (Ventosas): Para manipular itens frágeis ou de superfícies lisas, como vidro ou placas de metal.

Efetuadores de Locomoção

• Descrição: Permitem que o robô se mova no ambiente, ajustando sua posição ou transporte.
• Exemplos:
  • Rodas e Esteiras: Para deslocamento em superfícies planas ou irregulares.
  • Pernas Articuladas: Como em robôs bípedes ou quadrúpedes, para terrenos complexos.
  • Propulsores: Para robôs aquáticos ou aéreos.

Efetuadores de Ferramentas Específicas

• Descrição: São dispositivos integrados ao robô para realizar tarefas especializadas.
• Exemplos:
  • Soldadores: Usados em robôs industriais para soldagem de precisão.
  • Pincéis ou Bicos Pulverizadores: Para pintura.
  • Cortadores e Perfuradores: Para corte de materiais como madeira ou metal.

1.2.6. Software é o elemento essencial que conecta todos os componentes físicos de um robô (corpo, cérebro, músculos e sensores), permitindo que ele execute tarefas específicas. Enquanto o hardware é responsável pela construção física e funcional do robô, o software dá as "instruções" e a inteligência necessária para que ele tome decisões, interprete dados e interaja com o ambiente. O software é, portanto, o "coração digital" do robô, traduzindo ideias e comandos em ações práticas. 

• Linguagens de Programação mais comuns em robótica:
  • C e C++: Para controle de hardware e sistemas embarcados.
  • Python: Para desenvolvimento rápido e integração com bibliotecas de IA e visão computacional.
  • Java: Para sistemas embarcados e robôs industriais.
  • ROS (Robot Operating System): Framework popular que facilita o desenvolvimento de software robótico e geralmente é utilizado em conjunto com linguagens como Python e C++.
  • JavaScript: Fundamental para o desenvolvimento de interfaces web que interagem com robôs, mas não é a linguagem principal para a programação do robô em si.

1.2.6. Autonomia (Capacidade de Tomar Decisões):
O nível de independência do robô para operar sem intervenção humana, dependendo de algoritmos de inteligência artificial e aprendizado de máquina.

2. Tipos de Estrutura Física de Robôs (Corpo)

A estrutura física de um robô, também chamada de corpo, é a parte física responsável por abrigar os componentes internos, suportar os sensores e atuadores, e permitir a realização de movimentos e interações. A escolha do tipo de estrutura depende diretamente da aplicação do robô, influenciando sua funcionalidade, mobilidade e eficiência. Aqui estão os principais tipos de estruturas de robôs, detalhadamente descritos:

2.1. Robôs Humanoides

Robô Atlas (Boston Dynamics)

• Descrição: Projetados para imitar o corpo humano, com uma estrutura que frequentemente inclui cabeça, tronco, braços e pernas.
• Aplicações:
  • Assistência em tarefas domésticas.
  • Interação social e educacional.
  • Pesquisa sobre movimento humano e ergonomia.
• Exemplos:
  • Robô Atlas (Boston Dynamics).
  • Robô Sophia (Hanson Robotics).
• Características:
  • Mobilidade em múltiplos eixos.
  • Desafios no equilíbrio e controle, devido à estrutura bípede.

2.2 Robôs Móveis

Robô Spot (Boston Dynamics) – quadrúpede

• Descrição: Projetados para se deslocar no ambiente, podendo usar rodas, esteiras ou pernas.
• Subtipos:
  • Rodas: Alta eficiência e velocidade em superfícies lisas.
  • Esteiras: Excelente para terrenos irregulares ou arenosos.
  • Pernas (Quadrúpedes ou Bípedes): Mobilidade avançada em terrenos acidentados.
• Aplicações:
  • Logística e transporte (robôs de armazém).
  • Exploração (marte-rovers, drones terrestres).
  • Assistência em locais de desastres.
• Exemplos:
  • Spot (Boston Dynamics) – quadrúpede.
  • Mars Rover Perseverance (NASA) – robô com rodas para exploração planetária.

2.3. Robôs Industriais

• Descrição: Estruturas fixas ou semi-fixas projetadas para realizar tarefas repetitivas e de alta precisão em fábricas e linhas de produção.
• Características:
  • Formatos com braços articulados, geralmente com 6 ou mais graus de liberdade.
  • Materiais robustos para suportar condições industriais.
• Aplicações:
  • Soldagem, pintura, montagem, inspeção de qualidade.
• Exemplos:
  • Braços robóticos KUKA e ABB.
• Destaque:
  • Alta precisão e velocidade, mas geralmente limitados a um ambiente controlado.

2.4. Robôs Aéreos (Drones)

Robô aéreo da empresa chinesa DJI

• Descrição: Estruturas leves e aerodinâmicas, projetadas para voar e realizar tarefas aéreas.
• Tipos de Estrutura:
  • Multirrotores: Operam com várias hélices, como drones quadricópteros.
  • Fixo (Asa Fixa): Semelhantes a pequenos aviões, usados para cobrir grandes distâncias.
• Aplicações:
  • Inspeção de infraestrutura.
  • Agricultura de precisão (mapeamento e pulverização).
  • Entrega de encomendas.
• Exemplos:
  • DJI Phantom – multirrotor.
  • Robôs de asa fixa usados em monitoramento florestal.

2.5. Robôs Aquáticos

Robô aquático para inspeção

• Descrição: Estruturas projetadas para operar em ambientes submersos, podendo ser remotamente operados (ROVs) ou autônomos (AUVs).
• Características:
  • Estruturas seladas e resistentes à pressão.
  • Sistemas de propulsão adaptados à água (hélices, jatos).
• Aplicações:
  • Exploração marítima.
  • Inspeção de plataformas de petróleo.
  • Coleta de dados oceanográficos.
• Exemplos:
  • ROVs para inspeção de naufrágios.
  • Submarinos autônomos como o Bluefin.

2.6. Robôs Modulares

Robô Snake-like

• Descrição: Compostos por módulos intercambiáveis que podem ser rearranjados para desempenhar diferentes funções.
• Características:
  • Alta versatilidade.
  • Capacidade de autorreconfiguração em robôs avançados.
• Aplicações:
  • Resgate em locais de difícil acesso.
  • Pesquisa sobre robôs reconfiguráveis.
• Exemplo:
  • Robôs Snake-like, usados para inspecionar áreas estreitas.

2.7. Robôs Bioinspirados

Robô bioinspirado - robô formiga

• Descrição: Projetados para imitar a forma e o comportamento de seres vivos, como insetos, peixes ou cobras.
• Características:
  • Estruturas flexíveis ou segmentadas.
  • Movimentos orgânicos para acessar áreas complexas.
• Aplicações:
  • Exploração de ambientes perigosos.
  • Estudos biomecânicos.
• Exemplo:
  • RoboBee – pequeno robô inspirado em abelhas.
  • Robôs-cobras para resgate e inspeção.

2.8. Robôs Soft (Moles)

• Descrição: Feitos com materiais macios e flexíveis, projetados para interagir de forma segura com humanos ou ambientes sensíveis.
• Características:
  • Uso de silicone, elastômeros e polímeros para estrutura.
  • Capacidade de se deformar para atravessar espaços estreitos.
• Aplicações:
  • Cirurgia robótica.
  • Exploração de locais delicados ou instáveis.
• Exemplo:
  • Robôs feitos de polímeros infláveis usados em robótica médica.

2.9 Robôs Educacionais

Os robôs educacionais são projetados para ensinar e inspirar estudantes em diversas disciplinas, especialmente em ciência, tecnologia, engenharia e matemática (STEM). Esses robôs possuem estruturas otimizadas para aprendizado interativo, sendo fáceis de montar, programar e manipular. Eles podem ser móveis ou fixos, dependendo de sua funcionalidade e do nível de aprendizado proposto.

Os robôs educacionais, sejam móveis ou fixos, desempenham um papel crucial no ensino de conceitos básicos e avançados em robótica e programação. Eles proporcionam uma abordagem prática ao aprendizado, incentivando o raciocínio lógico, a criatividade e a resolução de problemas.

2.9.1. Robôs Educacionais Fixos (Manipuladores)

Robô Dobot Magician

• Descrição:
  Robôs com estrutura estática, que permanecem em uma posição fixa e geralmente são utilizados para ensinar conceitos como programação, lógica de controle e manipulação.
• Características:
  • Ideal para ensinar controle de braços robóticos, manipulação de objetos, e conceitos industriais em escala reduzida.
  • Incluem sistemas modulares para fácil montagem e desmontagem.
• Exemplos:
  • Dobot Magician:
    • Um braço robótico educacional que ensina automação, manipulação e programação.
    • Utilizado em simulações de processos industriais em sala de aula.
  • LEGO Education SPIKE Prime:
    • Um kit educativo com sensores e atuadores que pode ser configurado como um sistema fixo para ensinar programação baseada em blocos ou Python.

2.9.2. Robôs Educacionais Móveis

Robô baseado em módulos para Arduino

• Robôs projetados para se moverem no ambiente e ensinar conceitos de mobilidade, navegação e interação com sensores.
• Características:
  • Equipados com rodas, esteiras ou pernas simples.
  • Integram sensores para detecção de obstáculos, linhas ou luz.
  • Usados para introduzir noções de inteligência artificial e controle autônomo.
• Exemplos:
  • Arduino-based Mobile Robots:
    • Robôs de baixo custo desenvolvidos com Arduino e motores simples.
    • Perfeitos para ensinar fundamentos de programação e controle de motores.
  • VEX Robotics Kits:
    • Robôs modulares móveis que permitem a criação de plataformas personalizadas para competições educacionais.
  • Ozobot:
    • Pequenos robôs móveis que seguem linhas e comandos programados, ensinando lógica e pensamento computacional de forma lúdica.

Resumo

• A estrutura física (corpo) de um robô dá forma e suporte, influenciando diretamente na sua funcionalidade.
• Os sensores captam informações sobre o ambiente e o próprio robô, essenciais para a tomada de decisões.
• Os atuadores e os efetuadores permitem que o robô realize ações, como locomoção (robô móvel) e manipulação (robô fixo ou manipulador).
• Os controladores e o software integram todos os componentes, definindo o comportamento do robô e permitindo autonomia através de aprendizado de máquina e inteligência artificial.