COPPE/UFRJ
ESTUDO DE UM SISTEMA ROBÓTICO MÓVEL TELEOPERADO PARA
INSPEÇÃO DE INSTALAÇÕES NUCLEARES
Annemary Avram
Dissertação
de
Mestrado
apresentada
ao
Programa de Pós-graduação em Engenharia
Mecânica, COPPE, da Universidade Federal do
Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica.
Orientador: Max Suell Dutra
Rio de Janeiro
Outubro de 2008
ESTUDO DE UM SISTEMA ROBÓTICO MÓVEL TELEOPERADO PARA
INSPEÇÃO DE INSTALAÇÕES NUCLEARES
Annemary Avram
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO
LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA
(COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE
DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA.
Aprovada por:
________________________________________________
Prof. Max Suell Dutra, Dr.-Ing.
________________________________________________
Prof. Jules Ghislain Slama, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Felipe Maia Galvão França, PhD.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
OUTUBRO DE 2008
ii
Avram, Annemary
Estudo de um sistema robótico móvel teleoperado para
inspeção de instalações nucleares / Annemary Avram. –
Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2008.
XVI, 117 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Max Suell Dutra
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de
Engenharia Mecânica, 2008.
Referencias Bibliográficas: p. 111-117.
1. Projeto de Máquinas. 2. Robótica. I. Dutra, Max
Suell. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
Programa de Engenharia Mecânica. III. Titulo.
iii
DEDICATÓRIA
Esse trabalho é dedicado á minha família.
Em especial aos meus pais,
Floarea e Gheorghe Avram
e ao meu noivo,
João Henrique.
iv
AGRADECIMENTOS
A Deus que me deu a força de concluir este trabalho.
Ao meu orientador, Prof. Dr.-Ing. Max Suell Dutra, pelo apoio oferecido, pelos
ensinamentos, confiança e compreensão dispensados em todos os momentos que
proporcionaram o desenvolvimento e a concretização desse trabalho. Um agradecimento
especial por me fazer entender que ”há uma grande diferença entre saber o caminho e
percorrê-lo”.
Aos meus pais Floarea e Gheorghe Avram, pelo grande carinho, educação e
apoio oferecidos durante todos os momentos da minha vida.
Ao meu noivo João Henrique pela compreensão, a dedicação e o incentivo que
me deu para atingir mais essa conquista.
A todos os amigos e colegas do laboratório LabRob, especialmente para Ivan,
Ricardo, Wairy, César, que me apoiaram durante esses anos de trabalho, “tocando no
mesmo barco” e pela atmosfera boa de trabalho e de amizade que se encontra nesse
grupo ...que é “fogoooo”.
Obrigado as meus colegas Omar Lengerke e Hernan González (o pequenino) que
com seu grande talento humano e intelectual, me brindaram seu apoio nas situações
difíceis do meu mestrado e também agradeço a Gabriel Guerra.
Aos membros da secretaria da Engenharia Mecânica e especial para Verinha e
Maysa que me deram uma grande força espiritual e confiança necessária para concluir o
projeto.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES, do
Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia, COPPE,
Programa de Engenharia Mecânica, PEM, pela ajuda financeira para realização desse
projeto.
Não tenho o menor jeito para discursos e agradecimentos, ainda mais numa
língua diferente da língua materna, mais ...o sentimento esta lá ...guardado no meu
coração e ficará para sempre na minha alma arquivado com carinho a amizade dos
brasileiros, e uma imagem boa desse país maravilhoso que me adotou por esse tempo.
Muito obrigada a todos vocês de coração!
v
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
ESTUDO DE UM SISTEMA ROBÓTICO MÓVEL TELEOPERADO PARA
INSPEÇÃO DE INSTALAÇÕES NUCLEARES
Annemary Avram
Outubro/2008
Orientador: Max Suell Dutra
Programa: Engenharia Mecânica
Hoje em dia, os robôs representam uma realidade no nosso cotidiano, encontrandose em diversos ambientes desde nossas casas, no caso dos robôs domésticos até outras
planetas do sistema solar. No caso de um ambiente perigoso para o ser humano, a
presença de um sistema robótico é ainda mais necessária. Essa tese tem como objetivo a
realização de um estudo de um sistema robótico que atua em um espaço hostil para o ser
humano assim como é o ambiente nuclear, isto é, sujeito a radiação ionizante presente
em um compartimento sob o reator. Para tanto foi realizada a análise das matérias
menos sensíveis a radiação ionizante com a finalidade de projetar um sistema robótico
que exposto a esse tipo de radiação sofrerá menos danos. Pelo fato que os componentes
eletrônicos são altamente sensíveis a radiação, o sistema selecionado foi do tipo teleoperado utilizando assim menos componentes eletrônicos que um sistema autônomo. A
comunicação entre o sistema robótico e o operador será realizada através de uma
interface gráfica desenvolvida e apresentada nessa tese. Nesse trabalho é apresentado
também o tipo de locomoção baseado em rodas com uma configuração do tipo triciclo.
Ainda é apresentada a cinemática do sistema robótico e as conclusões.
vi
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
STUDY OF A TELEOPERATED MOBILE ROBOT SYSTEM FOR NUCLEAR
PLANT INSPECTION
Annemary Avram
October/2008
Advisors: Max Suell Dutra
Department: Mechanical Engineering
Today, the robots are a reality in our daily life, being in different environments
from our homes (domestic robots) to other planets of the solar system. In the case of
dangerous environments for humans, the presence of a robotic system is even more
necessary. This thesis made a study of a robotic system that operates in an hostile area
to humans, where the environment is nuclear, subject to ionizing radiation present in a
compartment under the reactor. For this reason was held to analyze the material less
sensitive to ionizing radiation in order to design a robotic system that exposed to this
type of radiation will suffer less damage. Because the electronic components are highly
sensitive to radiation, the system selected was a tele-operated using fewer electronic
components so that an autonomous system. Communication between the robotic system
and the operator will be achieved through a graphical user interface developed and
presented in this thesis. This work is also displayed the type of locomotion based on
wheels with a configuration of the type tricycle. Also presented is the kinematics of the
robotic system and conclusions.
vii
SUMÁRIO
ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................... XII
ÍNDICE DE TABELAS ................................................................................... XVI
1
INTRODUÇÃO............................................................................................ 1
1.1
Robôs Móveis com Rodas .................................................................................. 2
1.2
Objetivo ............................................................................................................... 9
1.3
Organização da Dissertação ............................................................................ 10
2
NOÇÕES GERAIS DE FÍSICA NUCLEAR............................................... 13
2.1
Composição da Matéria ................................................................................... 13
2.1.1
Estrutura do Átomo .................................................................................... 13
2.1.2
Energia nuclear .......................................................................................... 14
2.1.3
Origem da Radiação................................................................................... 15
2.2
Grandezas e Unidades de Radiação Nuclear no SI ....................................... 16
2.2.1
EletronVolt (eV).......................................................................................... 16
2.2.2
Gray (Gy).................................................................................................... 16
2.2.3
Becquerel (Bq)............................................................................................ 16
2.2.4
Sievert (Sv).................................................................................................. 16
2.3
Tipos de Radiações ........................................................................................... 17
2.3.1
3
Radiações ionizantes .................................................................................. 17
INTERAÇÃO DAS RADIAÇÕES IONIZANTES COM A MATERIA. ........ 26
3.1
Métodos Disponíveis para Aumentar a Vida Útil dos Componentes
Eletrônicos de um Sistema Robótico........................................................................... 30
3.1.1
Método 1: evitar o uso de componentes eletrônicos .................................. 30
3.1.2
Método 2: sistema de tipo modular ............................................................ 30
viii
3.1.3
Método 3: monitorização do sistema robótico ........................................... 30
3.2
Técnicas para Projetar Sistemas Eletrônicos Tolerantes à Radiação ......... 31
3.3
Estudo dos Diversos Materiais Empregados em Sistema Robótico
Submetido à Radiação Ionizante................................................................................. 31
3.3.1
3.4
Componentes mecânicos e eletromecânicos............................................... 33
Estudo do Comportamento dos Materiais Expostos À Radiação Gama..... 35
3.4.1
Materiais inorgânicos. ............................................................................... 35
3.4.2
Materiais orgânicos.................................................................................... 37
3.4.3
Materiais ópticos ........................................................................................ 41
3.4.4
Componentes eletrônicos............................................................................ 42
3.5
4
Seleção dos Materiais do Sistema Robótico ................................................... 45
TELE-OPERAÇÃO EM AMBIENTE NUCLEAR....................................... 48
4.1
Transparência da Tele-operação..................................................................... 51
4.2
Classificação dos Sistemas de Tele-operação em Função do Grau de
Assistência do Computador com o Operador ............................................................ 51
4.3
Relação Homem–Máquina na Tele-operação ................................................ 52
4.3.1
Modelo Mestre-Escravo ............................................................................. 52
4.3.2
Modelo de Telepresença............................................................................. 53
4.3.3
Modelo Professor-Aluno ............................................................................ 54
4.3.4
Modelo Supervisor-Companheiro .............................................................. 54
4.4
Importância da tele-operação em plataformas nucleares............................. 54
4.4.1
Proteção dos trabalhadores ....................................................................... 55
4.4.2
Fatores econômicos.................................................................................... 56
4.5
Aplicações da Tele-operação em Ambientes Hostis....................................... 56
4.6
Protótipo do Projeto ......................................................................................... 57
5
INTERFACE GRÁFICA DO USUÁRIO..................................................... 59
ix
5.1
Importância da Interface ................................................................................. 59
5.1.1
Definição de interface ................................................................................ 60
5.1.2
Pré-requisitos da Projeção da Interface .................................................... 60
5.2
O Papel da Interface na Interação Homem-Máquina................................... 61
5.3
O Caráter Interdisciplinar da Interface......................................................... 62
5.4
Planejamento de construção da interface....................................................... 63
5.4.1
Influência do usuário no planejamento de projeção da interface.............. 63
5.4.2
Princípios de planejamento da interface.................................................... 64
5.4.3
Sugestões de projeto da interface............................................................... 70
5.4.4
Elementos para composição da interface................................................... 71
5.5
Implementação da interface gráfica ............................................................... 74
5.5.1
O desenvolvimento da interface ................................................................. 74
5.5.2
Primeiro nível, nível de informação ........................................................... 75
5.5.3
Segundo nível, nível de verificação:........................................................... 76
5.5.4
Terceiro nível, nível de comandos da interface.......................................... 77
5.5.5
Sub Módulo Descrição do veículo.............................................................. 79
5.5.6
Sub-Módulo Comandos da Interface.......................................................... 81
5.5.7
Seção 1 - Manipulação do vídeo ................................................................ 82
5.5.8
Seção 2 - Controle de movimento do veículo remoto................................. 82
5.5.9
Seção 3 - Anotação de texto ....................................................................... 82
5.5.10
Seção 4 - Iluminação .................................................................................. 83
5.5.11
Seção 5 - Informação sobre os botões........................................................ 83
5.5.12
Seção 6 - Apresentação da hora................................................................. 84
6
ESTUDO CINEMÁTICO DO ROBÔ MÓVEL............................................ 86
6.1
6.1.1
Graus de Liberdade e Sistemas Não-Holonômicos........................................ 88
Locomoção ................................................................................................. 89
6.2
Estudo da configuração tipo triciclo ............................................................... 90
6.3
Cinemática Direta............................................................................................. 98
x
7
CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS.......................................... 110
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................. 111
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Representação esquemática da robótica como área interdisciplinar. ........................... 1
Figura 1.2 Robô Tortoise [3]......................................................................................................... 3
Figura 1.3 Robô Neptune [6][7]. ................................................................................................... 4
Figura 1.4 Robô Trikebot [8]. ....................................................................................................... 4
Figura 1.5 Robô Pluto [11]............................................................................................................ 4
Figura 1.6 Robô Mecanum [13]. ................................................................................................... 5
Figura 1.7 Robô 5dpo-2000 [13]................................................................................................... 5
Figura 1.8 Robô RoboX [16]......................................................................................................... 6
Figura 1.9 Robô MARVIN [20]. ................................................................................................... 6
Figura 1.10 (A) Veículo que recusa da luz (B) veículo atraído pela luz. ...................................... 7
Figura 1.11 Robô Khepera [24]..................................................................................................... 7
Figura 1.12 Robô Titan [25].......................................................................................................... 8
Figura 1.13 Robô Pneuman [26]. .................................................................................................. 8
Figura 1.14. O edifício do reator da Angra 1[33]........................................................................ 10
Figura 1.15 Representação esquemática da organização da tese. ............................................... 12
Figura 2.1 Representação de um átomo [33]............................................................................... 14
Figura 2.2 Representação do núcleo do átomo [33].................................................................... 14
Figura 2.3 Representação da estrutura nuclear do Hidrogênio, Helio, Lítio e Urânio [33]. ....... 15
Figura 2.4 Representação dos tipos de radiação nucleares [33].................................................. 15
Figura 2.5 Tipos de radiações. .................................................................................................... 17
Figura 2.6 Representação de um íon pelo fato que foi ejetado um elétron [33].......................... 18
Figura 2.7 Representação esquemática da capacidade de penetração das radiações alfa, beta,
gama, raio-X e nêutron [33]. .............................................................................................. 19
Figura 2.8 Distribuição percentual da exposição do homem às fontes de radiação [32]. ........... 22
Figura 2.9 Métodos proteção contra uma fonte de radiação gama Distribuição. ........................ 24
Figura 2.10 Distribuição A diferença entre irradiação e contaminação [33]............................... 24
Figura 3.1 Representação esquemática da atenuação do feixe incidente da radiação usando um
material para blindagem. .................................................................................................... 28
Figura 3.2 Representação da atenuação de uma feixe de radiação gama em um material de
espessura x [32] .................................................................................................................. 28
Figura 3.3 Representação da atenuação do feixe incidente de radiação gama em um material de
espessura x.......................................................................................................................... 29
Figura 3.4 Aplicação para o cálculo da espessura da blindagem para radiação gama. .............. 29
Figura 3.5: Representação esquemática de um cabo singelo de fibra ótica. ............................... 41
xii
Figura 3.6: Estrutura MOS. ......................................................................................................... 43
Figura 3.7: Transmitância é a quantidade de luz que passa através de uma substância.............. 44
Figura 4.1 Esquema de comparação entre o sistema tele-operado e autônomo .......................... 48
Figura 4.2 Esquema geral de tele-operação................................................................................. 49
Figura 4.3 Representação esquemática de uma forma de tele-operação. .................................... 50
Figura 4.4 Representação esquemática da percepção do ambiente remoto em tele-operação. ... 50
Figura 4.5 Classificação dos sistemas robóticos com respeito à autonomia e evolução dos
mesmos. .............................................................................................................................. 51
Figura 4.6 Representação esquemática do relacionamento homem-máquina na tele-operação.. 52
Figura 4.7 Representação de um manipulador tipo Mestre-Escravo [70]. .................................. 53
Figura 4.8 Representação esquemática das principais aplicações da tele-operação.................... 56
Figura 4.9 Representação esquemática da interface e dos módulos do projeto. ......................... 57
Figura 5.1 Representação esquemática da comunicação homem–máquina através de interface.61
Figura 5.2: Representação esquemática da interação operador humano–computador................ 62
Figura 5.3: Representação esquemática do caráter interdisciplinar da interface......................... 62
Figura 5.4: Representação esquemática dos princípios de planejamento da interface................ 65
Figura 5.5: Representação de um segmento de reta dividido em duas partes diferentes ............ 66
Figura 5.6 Representação do quadrado. ...................................................................................... 67
Figura 5.7 Retângulo de ouro e as divisões dele em outros retângulos perfeitos........................ 67
Figura 5.8 Representação da usabilidade da interface, conforme a Norma ISO 9241-11........... 69
Figura 5.9: Representação esquemática de algumas funções da interface. ................................. 70
Figura 5.10: Representação da diferença entre centro geométrico e centro ótico....................... 72
Figura 5.11: Representação esquemática do retângulo da visão. ................................................ 72
Figura 5.12. A representação esquemática da estrutura da interface. ......................................... 74
Figura 5.13. Apresentação da mensagem de início ..................................................................... 75
Figura 5.14. Apresentação da mensagem de verificação ............................................................ 76
Figura 5.15 Apresentação da mensagem com o botão ativo. ...................................................... 77
Figura 5.16. Apresentação dos componentes Label, Edit, Button............................................... 77
Figura 5.17. Apresentação do módulo com os comandos da interface ....................................... 78
Figura 5.18 Representação da imagem do MainMenu. ............................................................... 78
Figura 5.19 Apresentação do menu da interface ........................................................................ 79
Figura 5.20. Apresentação da imagem do componente PageControl.......................................... 79
Figura 5.21. Representação da imagem dos sub módulos da interface ....................................... 79
Figura 5.22. Representação da imagem do sub módulo Descrição do veículo. .......................... 80
Figura 5.23. Apresentação da imagem do módulo com informação sobre a câmera. ................. 80
Figura 5.24. Apresentação das seções do sub módulo “Comandos da Interface”....................... 81
Figura 5.25. Apresentação da imagem dos componentes do Guia Dialog................................. 83
xiii
Figura 5.26 Apresentação da imagem do menu de informação .................................................. 84
Figura 5.27. Apresentação da imagem da explicação sobre captura de vídeo ............................ 84
Figura 5.28 Apresentação da imagem da mensagem de saída do programa. .............................. 85
Figura 6.1 Representação de um esquema com tipos de rodas. .................................................. 87
Figura 6.2 Representação do tipo de roda esférica...................................................................... 88
Figura 6.3 Representação das configurações cinemáticas típicas. .............................................. 88
Figura 6.4 Representação da configuração de triciclo do sistema robótico estudado. ................ 90
Figura 6.5 Representação da posição e orientação do sistema de eixos robô. ............................ 91
Figura 6.6 Representação do ângulo de orientação θ quando sistema de eixo robô tem uma
rotação na frente de sistema de base................................................................................... 92
Figura 6.7 Representação do sistema de eixo robô qual é transladado e rodado em comparação
com sistema de eixo base. .................................................................................................. 92
Figura 6.8 Representação da estrutura do triciclo. ...................................................................... 93
Figura 6.9 Representação geométrica do Centro Instantâneo de Rotação. ................................. 94
Figura 6.10 Representação geométrica da posição do CIR......................................................... 95
Figura 6.11 Representação esquemática da cinemática direta. ................................................... 98
Figura 6.12 Representação esquemática dos métodos para o calculo de integrais definidas. ..... 99
Figura 6.13 Representação esquemática da função f (x) que será integrada por polinômio de
interpolação p1 ( x) . .......................................................................................................... 101
Figura 6.14 Representação esquemática da divisão do intervalo [a,b] em subintervalos de
dimensão h........................................................................................................................ 102
Figura 6.15 Representação da trajetória em linha reta quando a direção se manter constante a
variação do tempo............................................................................................................. 103
Figura 6.16 Representação da trajetória quando a velocidade é constante e o ângulo da direção
igual a zero. ...................................................................................................................... 104
Figura 6.17 Representação da variação da velocidade da roda dianteira e o ângulo da direção
alpha ................................................................................................................................. 104
Figura 6.18 Representação da variação das variáveis de posição x,y e a orientação do robô... 105
Figura 6.19 Representação da trajetória circular quando a direção se mantiver constante igual a
um ângulo de 30 graus com a variação do tempo............................................................. 106
Figura 6.20 Representação da trajetória com uma velocidade constante e o ângulo da direção
constante igual a 30 graus................................................................................................. 106
Figura 6.21 Representação da mudança das variáveis: velocidade da roda dianteira e ângulo da
direção Alpha=
π
6
............................................................................................................. 107
Figura 6.22 Representação da mudança das variáveis. ............................................................. 107
xiv
Figura 6.23 Representação da variação das variáveis. .............................................................. 108
Figura 6.24 Representação das variáveis. ................................................................................. 108
Figura 6.25 Representação da variação das variáveis. .............................................................. 109
xv
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1 Grandezas e unidades radiológicas............................................................................ 17
Tabela 2.2 Velocidades das radiações ionizantes [37]. ............................................................... 19
Tabela 2.3 Alcance das partículas alfa em alumínio, chumbo, água e ar [37]. ........................... 20
Tabela 2.4 Alcance das partículas beta em alumínio [37]........................................................... 20
Tabela 2.5 Valores TVT para diferentes materiais considerando várias energias dos fótons [37].
............................................................................................................................................ 21
Tabela 2.6 Limites radiológicos anuais adotados pela CNEN [33]............................................. 23
Tabela 3-1 Condições da câmera do reator, [41]......................................................................... 32
Tabela 3-2 Taxas de dose de radiação para uma área A.............................................................. 32
Tabela 3-3 Taxas de dose de radiação para uma área B.............................................................. 33
Tabela 3-4 Taxas de dose de radiação para uma área C.............................................................. 33
Tabela 3-5 Taxas de dose de radiação para uma área D.............................................................. 33
Tabela 3-6 Limites de radiação para sensores[ 37]. .................................................................... 35
Tabela 3-7: Valores limites de dose total de radiação em alguns metais. ................................... 35
Tabela 3-8: Valores limites de dose total de radiação para alguns tipos de cerâmica. ............... 36
Tabela 3-9: Taxas de transmissão da luz para diferentes tipos de vidro. .................................... 36
Tabela 3-10: Resistência à radiação em alguns polímeros [37] [52]........................................... 37
Tabela 3-11: Danos em camadas de proteção [37] [52]. ............................................................. 38
Tabela 3-12 Valor limite de radiação para alguns adesivos [77] [92]......................................... 39
Tabela 3-13: Valores limites de radiação gama para alguns lubrificantes [37] [52]................... 39
Tabela 3-14: Taxa de dose que ocasionam danos em conectores e interruptores. ...................... 40
Tabela 4.1 Limites da dose de radiação aceita por ano para cada trabalhador exposto à radiação
ionizante na Espanha. ......................................................................................................... 55
Tabela 4.2 Limites primários anuais de dose equivalente conforme a Norma CNEN-NE-3.01. 55
xvi
1 INTRODUÇÃO
A Robótica é uma área interdisciplinar (Figura 1.1), que envolve especialistas
em vários domínios da engenharia (mecânica, elétrica e eletrônica), da ciência da
computação (algoritmos e estrutura de dados, inteligência artificial, sistemas
operacionais, visão computacional, otimização, processamento da informação, etc.), da
matemática (modelagem matemática, parametrização das curvas, cálculo, etc.) e da
biologia (estudo do movimento dos insetos, animais).
Figura 1.1 Representação esquemática da robótica como área interdisciplinar.
Uma parte importante e em continuo desenvolvimento da robótica constitui a
robótica móvel (quando um robô tem a capacidade de se locomover por seus próprios
meios ele é classificado como móvel) em função do tipo de movimento e ambiente do
trabalho dos mesmos [1]. Existem tipos de robôs móveis terrestres, aéreos, subaquáticos
e nano-robôs e que podem ser classificados em função do tipo do controle em: teleoperados (um operador define todos os movimentos que o robô deve executar), semiautônomos (o operador indica o comando a ser executado e o robô executa a instrução),
autônomos (o robô executa suas tarefas tomando suas próprias decisões).
O potencial de uso de robôs móveis em quase todas as atividades humanas
observou-se a crescer a cada ano. O uso dos mesmos é realizar as tarefas especialmente
perigosas como, por exemplo: manipulação de matérias no domínio nuclear, no combate
ao fogo, operação e estudo em ambientes de explorações espaciais, atividades em águas
profundas, em serviços domésticos, em tarefas de segurança e patrulhamento, entre
1
outras. Uma característica comum dos sistemas robóticos que realizam essas tarefas é a
exigência de se locomover de uma posição para outra evitando obstáculos (se for
necessário) e se posicionar de acordo com a tarefa a cumprir.
Os robôs móveis têm que interagir com os ambientes complexos, com a
finalidade de substituir o ser humano. A modelagem dos ambientes complexos está dada
ao fato dos números de variáveis independentes necessárias. Quando o número de
variáveis introduzidas para modelar o ambiente é grande e as possibilidades do robô de
“sentir” o ambiente através de sensores são reduzidas, a tele-operação pode-se constituir
em uma alternativa.
Ao projetar um sistema robótico deve-se ter atenção em algumas considerações
sobre: (i) a sua forma e tamanho, assim que o robô ao interagir com o meio que o rodeia
não pode danificá-lo nem ser danificado. (ii) Quando se precisar da manutenção do
robô, devem ser tomadas opções na fase de projeção, de modo a minimizar e facilitar as
intervenções para a reparação e manutenção. (iii) Na forma ou modo de deslocamento,
isto é, a configuração do seu sistema de locomoção incluindo motricidade e direção e
que leva em conta o tipo de terreno em que o robô opera. (iv) Na coleção de sensores
com os quais o robô obtém a informação do ambiente; e (v) a fonte de alimentação e
autonomia energética.
Na continuação são estudados alguns tipos de robôs móveis que foram estudados
com objetivo de realizar uma base para futuras análises.
1.1 Robôs Móveis com Rodas
Um robô móvel pode ser decomposto fisicamente em três partes: em um
mecanismo para fazer o robô locomover-se pelo ambiente, em um ou mais
computadores para controlar o robô e em uma coleção de sensores com os quais o robô
obtém informação do ambiente.
Nesse capitulo, são levadas em consideração algumas análises sobre os robôs
terrestres com o objetivo de fazer uma escolha adequada para o projeto. Assim foram
analisados trabalhos na área de robótica móvel focada em robôs com tipo de locomoção
terrestre através de rodas. Com a finalidade de escolher uma configuração de locomoção
adequada, foram analisados robôs com as configurações típicas como: triciclo,
diferencial, síncrono, onidirecional e Ackerman [2].
2
A configuração tipo triciclo é caracterizada por três rodas, duas posicionadas na
parte traseira, sendo passivas e uma roda posicionada na parte dianteira do sistema
robótico com a função de tração e direção. A configuração de triciclo foi apresentada
pela primeira vez por W.Grey Walter. O robô Tortoise (Figura 1.2) é um dos primeiros
robôs móveis, construído em 1948 e capaz de seguir uma fonte de luz. Do ponto de vista
mecânico e eletrônico, era bastante simples: três rodas montadas em triciclo, sendo duas
de propulsão e uma de direção, e atuadas por motores elétricos independentes para cada
uma delas. Os "sentidos" eram bem primitivos: apenas um sensor de luz e um sensor de
contato, montados externamente. A alimentação de energia era fornecida por uma
bateria comum, montada na parte de trás. Um revestimento de plástico abrigava e
protegia todo o conjunto [4] [5].
Figura 1.2 Robô Tortoise [3].
Na Universidade Carnegie-Mellon foram projetados a partir de 1982 quatro tipos
de robôs móveis, começando com o robô Pluto, Neptune, Ilonator e Terragator [6]. O
robô Neptune (Figura 1.3) é um triciclo com a roda da frente equipada para tração e
direção e as duas rodas traseiras são passivas e é equipado com duas câmeras e vinte e
quatro sensores de ultra-som distribuídos em sua volta. Outra configuração do triciclo é
apresentada pelo robô Trikebot (Figura 1.4). Esse robô tem duas rodas passivas na
traseira e a roda da frente é configurada com um motor para tração e um servo motor
para direção, com uma câmera pan e tilt [8] [9].
3
Figura 1.3 Robô Neptune [6][7].
Figura 1.4 Robô Trikebot [8].
No caso da configuração onidirecional, as rodas são orientadas e tracionadas de
forma independente [10]. A configuração onidirecional foi implementada no robô Pluto
da Universidade Carnegie-Mellon. O robô Pluto (Figura 1.5), tem três rodas
motorizadas independentes com a finalidade de ter um movimento onidirecional e foi
desenvolvido para o estudo dos problemas de controle e estabilização. Depois de vários
estudos sobre o mesmo, o robô Pluto foi doado para o Museu de Computadores de
Boston [6].
Figura 1.5 Robô Pluto [11].
4
O robô Hermies III do Oak Ridge National Laboratory possui a configuração
onidirecional constituída de duas rodas motorizadas e quatro rodas castor [2][12]. Outro
robô com a configuração onidirecional é o robô Mecanum (Figura 1.6).
Figura 1.6 Robô Mecanum [13].
O robô 5dpo-2000 (Figura 1.7) da Universidade do Porto – FEUP é um robô
onidirecional feito para competir no concurso Robôcup Pádua 2003 [15].
Figura 1.7 Robô 5dpo-2000 [13].
No caso da configuração diferencial, a mesma consiste de duas rodas em um
eixo comum, em que cada roda é controlada independentemente. Utiliza uma roda
adicional, castor, para balanço [2]. Quando a estrutura típica é diferencial, teoricamente,
o robô irá deslocar se para frente, alimentando ambos os motores com a mesma tensão
constante. Da mesma forma, as curvas serão realizadas pelo mesmo princípio, isto é,
adicionando uma tensão “extra” a um motor, fazendo com que o robô rode sobre si e
complete a curva. O robô RoboX (Figura 1.8) desenvolvido no Autonomous System
Lab, EPFL na Suíça [16][17] é um robô diferencial autônomo interativo, podendo
5
comunicar-se com o ser humano. O robô foi exibido no evento Swiss National
Exhibition Expo.02.
Figura 1.8 Robô RoboX [16].
Na Figura 1.9, o robô MARVIN (Mobile Autonomous Robot Vehicle for Indoor
Navigation) é um robô móvel com a configuração diferencial desenvolvido pelo Grupo
de Mecatrônica da Universidade Waikato, Nova Zelândia [18][19][21].
Figura 1.9 Robô MARVIN [20].
Outro veículo autônomo com a cinemática diferencial, baseado na idéia do
Valentino Braitemberg [22][23], onde os veículos são utilizados para simular
características psicológicas dos humanos como amar, repudiar e agredir, baseado apenas
nas suas ações e reações. Descreve-se um jogo das experiências do pensamento em que
os veículos cada vez mais complexos são construídos por componentes mecânicos e
6
eletrônicos simples. Na Figura 1.10(A) e (B) são apresentados simbolicamente dois
desses veículos e uma fonte de luz. A estrutura é dotada com dois fotosensores e existe
um motor associado a cada roda. Como se os dois motores fizessem movimentos em
sentidos contrários, a estrutura vai girar. No caso do veículo da Figura 1.10(A) (veículo
que se recusa à luz), como o sensor mais próximo da luz é o da direita, ele produz um
sinal maior do que o sensor da esquerda. Visto que cada sensor está ligado ao motor da
roda do mesmo lado, neste caso a roda direita vai andar mais depressa do que a
esquerda. Conseqüentemente, o robô vai virando para a esquerda, afastando-se da luz.
No caso do robô da Figura 1.10(B) (veículo que é atraído pela luz), as ligações entre os
sensores e as rodas são invertidas. Aplicando o mesmo tipo de raciocínio, verifica-se
que este robô se aproxima da luz.
Figura 1.10 (A) Veículo que recusa da luz (B) veículo atraído pela luz.
O robô Khepera da Figura 1.11 é um robô de forma circular que se move através
de duas rodas fixas acionadas por motores independentes de corrente contínua. Dispõe
de módulos de visão, telemetria, garra mecânica, sensores de infravermelho, que
detectam a proximidade ao obstáculo.
Figura 1.11 Robô Khepera [24].
7
No caso da configuração do tipo Ackerman, em geral o tipo de direção dos
automóveis, possui duas rodas de tração e duas de direção e geralmente é escolhida para
veículos grandes que atuam em ambientes externos. Dois exemplos dessa configuração
são apresentados a seguir: O primeiro se trata de uma transformação de uma cadeira de
rodas para paraplégicos em um robô móvel capaz de se locomover no ambiente externo.
Esse robô, chamado Titan Figura 1.12 tem a sua estrutura cinemática do Ackerman [25].
Figura 1.12 Robô Titan [25].
O robô Pneuman [26], Figura 1.13 desenvolvido no Laboratório Machine
Intelligence da Universidade da Flórida, é um robô humanóide com quatro rodas que
permite três modos de locomoção: diferencial, Ackerman e ”crab”.
Figura 1.13 Robô Pneuman [26].
No caso da configuração síncrona, todas as rodas estão ligadas de forma que
apontam para mesma direção, as rodas se movem de forma síncrona para andar reto ou
girar. Uma configuração típica são três rodas dispostas em forma de um triângulo
eqüilátero. Todas as rodas apontam para a mesma direção e giram na mesma proporção,
isto é obtido através do uso de uma coleção complexa de cintos que mantêm as rodas
fisicamente juntas. É controlada a direção em que as rodas apontam e a taxa em que as
8
rodas giram. Os robôs Rhino e Carmel usam esse tipo de configuração. O robô Rhino,
[27] foi desenvolvido pela Real Word Interface e tem a configuração síncrona e é
dotado com sensores de ultra-som de proximidade. O robô Carmel (Computer-Aided
Robotics for Maintenance, Emergency, and Life support) tem a configuração síncrona
[28][29][30]. Nestes tempos já é possível fabricar robôs que servem para grande área de
operações, seja de limpeza, operação cirúrgica remotamente, ambientes hostil ao ser
humano, etc. A disponibilidade de nova tecnologia permite a formação de novas idéias
nas áreas de inteligência artificial, robótica, micro-máquinas e materiais inteligentes.
Em conformidade com as pesquisas realizadas sobre a escolha da configuração
cinemática, para esse trabalho foi aceita a opção do triciclo. As razões porque foi
escolhida essa configuração em comparação com as outras são os seguintes: (i) o
projeto de um robô com a configuração triciclo não requer suspensão devido a que a
superfície do solo que se tem projetado trabalhar é plana (solo regular). (ii) No caso do
triciclo não existe coordenação no sistema de direção, minimizando o custo devido ao
número de componentes materiais. (iii) Oferece manobrabilidade, (iv) estabilidade em
caso que os componentes pesados sejam colocados em posição baixa do sistema
robótico e mantendo uma altura de tal forma que o centro de massa seja baixo, assim
diminui as chances de capotar [13] [20]. (v) Outra razão de escolher a configuração de
triciclo, é que no caso dessa configuração não existem distúrbios em caso do
deslocamento em linha reta dado pela diferença de velocidade das rodas [9]. No caso de
sistemas robóticos com quatro rodas, a movimentação em terrenos acidentados existe
uma leve torção no chassi do mesmo. Uma única roda posicionada na frente acrescenta
a habilidade de desviar de obstáculos. Conforme essas razões e devido às pesquisas
feitas, o sistema robótico do presente trabalho foi escolhido com a configuração
cinemática de triciclo. Em continuação é apresentado o objetivo da pesquisa e a
organização dos capítulos do mesmo.
1.2 Objetivo
O objetivo principal deste trabalho é o estudo conceitual de um robô móvel
terrestre com rodas, que possa atuar em um ambiente hostil (com radiação nuclear) ao
ser humano com objetivo de inspeção visual do ambiente. Para uma melhor visualização
do ambiente do trabalho do sistema robótico será apresentado um exemplo do ambiente
9
do compartimento do reator da Angra 1, Figura 1.14. Para a realização deste trabalho, é
necessário seguir os seguintes passos: escolha da estrutura cinemática, projeto da
plataforma móvel, seleção dos módulos de “hardware”, escolha do dispositivo
controlador adequado às necessidades do projeto, construção da interface de comando e
montagem do conjunto.
Figura 1.14. O edifício do reator da Angra 1[33]
1.3 Organização da Dissertação
A dissertação desse trabalho encontra-se dividida em capítulos que são
mostrados na Figura 1.15. No capítulo dois são apresentados alguns conceitos
importantes ligados a noções de energia nuclear. No inicio do capítulo apresenta-se um
curto histórico sobre a teoria atomista seguido de algumas noções gerais como o
conceito de composição da matéria, estrutura atômica, energia nuclear. Para realizar
uma base de conhecimento sobre grandezas e as unidades de radiação nuclear no SI
(Sistema Internacional) as mesmas são apresentadas. Em seguida são explicados os
tipos de radiações nucleares especificando-se as diferenças entre as radiações ionizantes
e não ionizantes e quais são os tipos de radiações ionizantes. A seguir se apresentam os
tipos de fontes de radiação natural e artificial, noções de proteção radiológica,
detectores de radiação. No final desse capítulo, é explicada a diferença entre irradiação
e contaminação e os efeitos biológicos da radiação ionizante no caso que ocorreu.
10
No capítulo três apresenta-se a forma que a radiação ionizante interage com a
matéria atingida. As radiações ionizantes além de serem perigosas para o ser humano
também são prejudiciais para os equipamentos. Adicionalmente, é feita uma analise
sobre os efeitos das radiações ionizantes utilizados em sistemas robóticos.
Seguidamente, se trata de alguns métodos disponíveis para aumentar a vida útil dos
componentes eletrônicos de um sistema robótico e também as técnicas para projetar
sistemas eletrônicos tolerantes à radiação. Apresenta-se uma análise sobre o
comportamento do diversos materiais (metais, cerâmica, vidro, polímeros e plásticos,
adesivos, lubrificantes) e componentes eletrônicos (resistores, capacitores, diodos,
semicondutores, transistores, sensores de imagem CCD e CMOS, câmeras de vídeo,
microprocessadores, memória) expostos a radiação ionizante.
O capítulo quatro aborda a tele-operação como uma solução na necessidade de
inspeção remota e operação em ambiente com radiação ionizante (ambiente hostil). É
apresentado o que significa tele-operação e os modelos de relacionamento homemmáquina no caso de tele-operação (modelo mestre-escravo, tele-presença, modelo
professor-aluno e modelo supervisor-companheiro). No final desse capítulo são
apresentados os motivos e a necessidade de utilizar a tele-operação em ambientes hostis
tal como o ambiente com radiação ionizante.
O quinto capítulo tem como abordagem a interface gráfica homem-sistema
robótico. É apresenta a definição da noção de interface gráfica, alguns pré-requisitos
necessários na projeção da interface, o papel importante da interface no ato de
comunicação homem-máquina. São levadas em consideração na projeção da interface
gráfica a influência do usuário, apresentação e a interatividade, harmonia, ergonomia e a
usabilidade da mesma. O final do capítulo quinto é atribuído ao desenvolvimento
próprio-dito da interface gráfica deste trabalho com as explicações em vigor.
O capítulo seis destina-se a apresentar a cinemática do robô móvel (configuração
triciclo), os tipos de rodas que podem ser utilizadas na construção do sistema robótico e
também as configurações cinemáticas clássicas como triciclo, diferencial, Ackerman,
onidirecional e síncrono. Em seguida são explicadas as noções de grau de mobilidade e
holonomia. O foco desse capítulo é a apresentação do esquema cinemático de triciclo do
sistema robótico desenvolvido nesse trabalho.
Finalmente, no capítulo sete são apresentadas às conclusões obtidas, os trabalhos
futuros a serem realizados para um melhor estudo do problema, e as aplicações dos
resultados obtidos para o desenvolvimento do projeto.
11
Figura 1.15 Representação esquemática da organização da tese.
12
2 NOÇÕES GERAIS DE FÍSICA NUCLEAR
A tarefa do sistema robótico estudado é um ambiente hostil, em particular um
ambiente de uma usina nuclear, por conseguinte é um ambiente com caráter especifico.
Por este motivo no presente capítulo será apresentado, de maneira sintética, algumas
noções básicas de física nuclear com a finalidade de compreensão do caráter especifico
do ambiente. No Brasil, a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) é o órgão
que regula e fiscaliza todas as etapas necessárias para a entrada em operação de uma
instalação nuclear ou radioativa, desde a licença prévia para construção até a sua
desativação. O operador da instalação precisa seguir normas técnicas estabelecidas pela
CNEN e passa por fiscalizações, cujo objetivo é garantir o desempenho ótimo da
instalação, dentro dos padrões de segurança.
2.1 Composição da Matéria
As matérias existentes no universo são constituídas de átomos ou de suas
combinações. As substâncias simples são constituídas de átomos e as combinações
destas formam as moléculas das substâncias compostas. Os átomos se combinam de
maneira que depende da sua natureza e das propriedades que as suas estruturas
propiciam. [32].
2.1.1 Estrutura do Átomo
O átomo é constituído de um núcleo, onde fica concentrada a massa do átomo e
minúsculas partículas que giram ao seu redor, denominadas elétrons, como pode ser
observado na Figura 2.1. Os elétrons são partículas de carga negativa e massa muito
pequena.
13
Figura 2.1 Representação de um átomo [33].
O núcleo do átomo é constituído de partículas de carga positiva, chamadas
prótons, e de partículas de mesmo tamanho, mas sem carga, denominadas nêutrons de
forma apresentada na Figura 2.2.
Figura 2.2 Representação do núcleo do átomo [33].
Os prótons têm a tendência de se repelirem, porque têm a mesma carga
(positiva). Como eles estão juntos no núcleo, comprova-se a existência de energia nos
núcleos dos átomos, chamada a energia de ligação dos nucleons ou energia nuclear.
2.1.2 Energia nuclear
Energia nuclear é a energia que o núcleo do átomo possui, mantendo prótons e
nêutrons juntos, é a energia de ligação dos nucleons (partículas do núcleo) [34]. O
elemento natural mais simples, o hidrogênio, possui apenas um próton. Um elemento
dos mais complexos, é o urânio, tem 92 prótons, sendo o elemento químico natural mais
“pesado” (isto é, com muitos prótons e nêutrons). Na Figura 2.3 é possível observar que
a energia nuclear cresce junto com a complexidade do elemento.
14
Figura 2.3 Representação da estrutura nuclear do Hidrogênio, Helio, Lítio e Urânio [33].
2.1.3 Origem da Radiação
As radiações são produzidas por processos de restauração interna (para atingir a
estabilidade) que ocorrem no núcleo ou nas camadas eletrônicas, ou pela interação de
outras radiações ou partículas com o núcleo ou com o átomo [32]. Um núcleo
energeticamente elevado (por ter excesso de partículas ou de carga) tende a estabilizarse, emitindo algumas radiações que podem ser em forma de partículas que tem massa,
carga e velocidade (de tipo alfa e beta) ou em forma de ondas eletromagnéticas (de tipo
gama) (Figura 2.4) [35].
Figura 2.4 Representação dos tipos de radiação nucleares [33].
15
2.2 Grandezas e Unidades de Radiação Nuclear no SI
2.2.1 EletronVolt (eV)
A energia da radiação é expressa em elétron-Volt (eV). Onde 1eV representa a
energia cinética adquirida por um elétron ao ser acelerado por uma diferença de
potencial elétrico de 1 Volt no vácuo [32].
1MeV = 106 eV = 1, 602*10−13 Joule
(2.1)
2.2.2 Gray (Gy)
Expressa a relação entre a energia absorvida pelo material e a massa de volume
de material atingido [32]. É um efeito da interação da radiação com a matéria e a
transferência de energia. A radiação nem sempre é toda absorvida, devida à variedade
de modos de interação e à natureza do material.
1 Gy = 1 J/Kg ou 1 Gy = 100 Rad (Rad é a unidade antiga de dose absorvida)
2.2.3 Becquerel (Bq)
A atividade de uma amostra com átomos radioativos (ou fonte radioativa) é
medida em Becquerel [33]. O Becquerel é o número de partículas ou fótons emitidos
por segundo de uma fonte de radiação. 1 Bq= uma desintegração por segundo [36]. A
relação do Bq com o Ci (unidade antiga) é: 1 Ci (Curie) = 3,7 *1010 Bq .
2.2.4 Sievert (Sv)
Expressa os efeitos das interações entre radiação e corpo humano [32]. Esta
unidade é usada para indicar o risco à saúde humana devido a radiações ionizantes. A
16
relação do Sv com o Rem (unidade antiga) é: 1 Sv (Sievert) = 100 Rem. Na
Tabela
2.1 são apresentadas as grandezas e unidades descritas nesta seção.
Tabela 2.1 Grandezas e unidades radiológicas.
Nome
Bequerel
Gray
Sievert
EletronVolt
Símbolo (SI)
Bq
1Ci (Curie) =3,7*10 10 Bq
(ou integrações/s)
Gy
1 Gy= 1 J/Kg
1 Gy = 100 Rad (antigo)
Sv
1 Sv = 100 Rem (antigo)
eV
1 eV= 1,6*10 -19 Joule
Grandeza
Atividade da fonte de
radiação.
Dose absorvida.
(absorção da radiação pelo
material)
Equivalente de dose.
(absorção da radiação pelo
corpo humano)
Energia de radiação.
2.3 Tipos de Radiações
As radiações se dividem em função da capacidade de ionização em: radiação não
ionizante que pode ser de tipo: infravermelho, cósmica, ultravioleta e catódica e
radiação ionizante que pode ser de tipo: alfa, beta, gama, raios-X e nêutron como é
apresentado na Figura 2.5.
Figura 2.5 Tipos de radiações.
2.3.1 Radiações ionizantes
17
A radiação ionizante é qualquer partícula ou radiação eletromagnética que, ao
interagir com a matéria, “arranca” elétrons dos átomos ou de moléculas, transformandoos em íons (Figura 2.6). Assim, as partículas alfa, as partículas beta e a radiação gama,
emitidas por fontes radioativas, bem como os raios X, emitidos pelos respectivos
aparelhos, são radiações ionizantes [33][36].
Figura 2.6 Representação de um íon pelo fato que foi ejetado um elétron [33].
Na interação das radiações ionizantes com a matéria, as mesmas atravessam o
material e essas radiações transferem energia para as partículas que forem encontradas
em sua trajetória. Caso a energia transferida seja superior à energia de ligação do elétron
com o restante da estrutura atômica, este é ejetado de sua órbita [33]. O átomo é
momentaneamente transformado em um íon positivo. O elétron arrancado (íon
negativo) desloca-se no meio, impulsionado pela energia cinética adquirida neste
processo. Na Figura 2.7 pode-se notar a capacidade de penetração das radiações alfa,
beta, gama, raios-X e nêutron, observando que as radiações eletromagnéticas do tipo X
e gama, são as mais penetrantes (e dependendo de sua energia) podendo atravessar
vários centímetros do tecido humano e até vários metros de blindagem de concreto.
Enquanto as radiações betas são pouco penetrantes, em relação às anteriores
(dependendo de sua energia) podem atravessar milímetros e até centímetros de tecido
humano. Já, as partículas alfa possuem um poder de penetração menor. Mesmo
radiações com 5 MeV, não conseguem atravessar a espessura de uma folha de papel.
Entretanto, o seu poder de ionização é maior [36].
18
Figura 2.7 Representação esquemática da capacidade de penetração das radiações alfa, beta, gama, raio-X
e nêutron [33].
Para ter uma idéia da velocidade das radiações ionizantes em relação à energia
delas, na Tabela 2.2 são apresentadas as velocidades das mesmas.
Tabela 2.2 Velocidades das radiações ionizantes [37].
Tipo de Radiação
Alfa
Bata
Gama
Nêutron
Raio X
Energia (MeV)
1
1
qualquer
0,1
qualquer
Velocidade (m/s)
7,0 * 10 6
2,8 * 10 8
3,0 * 10 8
1,4 * 10 7
3,0 * 10 8
A continuação é apresentada uma descrição curta sobre radiação alfa, beta,
gama, raios-X e nêutron com a finalidade de entender as características das mesmas.
Radiação Alfa [35] é o resultado dos processos de estabilização de um núcleo com
excesso de energia são as radiações mais ionizantes, mas a sua penetração na matéria é
pequena, não conseguindo atravessar uma simples folha de papel e percorrendo poucos
centímetros no ar [33]. O alcance (a distância que uma partícula percorre antes de parar)
sendo pequeno faz com que elas sejam facilmente blindadas. A maioria das partículas
alfa é emitida com energia entre 3 e 7 (MeV) [32]. Na Tabela 2.3 se apresenta o alcance
(µm) das partículas alfa em alumínio, chumbo, água e ar e se pode observar que uma
folha fina de alumínio de 22 (µm) barra completamente um feixe de partículas alfa de 5
(MeV).
19
Tabela 2.3 Alcance das partículas alfa em alumínio, chumbo, água e ar [37].
Energia (MeV)
0,01
0,1
0,5
1
5
Alcance das partículas alfa (µm)
Alumínio Chumbo
Ägua
Ar
0,1
0,05
0,2
240
0,6
0,4
1
1330
1,8
1,5
3
3310
3,3
2,5
5
5520
22
14
37
36700
Radiação Beta: é constituída de partículas emitidas por um núcleo (na busca de
estabilidade do mesmo), quando existe no núcleo um excesso de nêutrons em relação ao
numero de prótons [35]. Dependendo de sua energia, a maioria das partículas beta, pode
percorrer poucos metros no ar e têm um poder ionizante bem menor do que as partículas
alfa e maior penetração do que estas. Na Tabela 2.4 são apresentados os valores do
alcance (µm) das partículas beta em alumínio.
Tabela 2.4 Alcance das partículas beta em alumínio [37].
Energia (MeV)
Alcance (µm)
0,01
0,06
0,1
5
0,5
60
1
160
5
940
Radiação Gama: geralmente, após a emissão de uma partícula alfa ou beta, o
núcleo resultante desse processo (ainda com excesso de energia) procura estabilizar-se,
emitindo esse excesso em forma de onda eletromagnética, da mesma natureza da luz e
sem carga elétrica, denominada radiação gama [35]. A radiação gama e os raios-x são as
radiações mais penetrantes, mas o seu poder de ionização é baixo em relação às
partículas alfa e beta [33] [37]. A proteção contra os fótons (não possuem carga e nem
massa) da radiação gama pode ser uma espessura grossa de material com um grande
número atômico Z, como chumbo [37]. Um modo de se comparar a absorção de fótons
em diferentes materiais é usar o valor de décima redução (TVT - Tenth Value
Thickness), que representa a espessura de material que atenua a radiação para um
décimo de seu valor inicial [37]. Na Tabela 2.4 apresenta-se o TVT em centímetros para
diferentes materiais por várias energias dos fótons (radiação gama ou raios-X). Se pode
observa que para uma radiação gama com energia de 0,05 (MeV) um material de
20
alumínio com a espessura de 21 cm atenua essa radiação ao um décimo do valor inicial
da radiação.
Tabela 2.5 Valores TVT para diferentes materiais considerando várias energias dos fótons [37].
Energia (MeV)
0,05
0,1
0,5
1
5
Alumínio
21
50
101
139
300
TVT(cm)
Ferro Chumbo
1,6
0,25
8,1
0,37
35
13
49
29
93
47
Concreto
18
49
111
153
338
Raios-X: é radiação da mesma natureza da radiação gama (ondas
eletromagnéticas), com características idênticas, só difere da radiação gama pela
origem, ou seja, os raios-X não partem do núcleo do átomo [36] [37]. Toda energia
nuclear é atômica, porque o núcleo pertence ao átomo, mas nem toda energia atômica é
nuclear [38]. Um exemplo de energia atômica que não é nuclear é a energia das reações
químicas.
Nêutrons: Os nêutrons podem ser produzidos por dispositivos como, reatores
nucleares e aceleradores de partículas e são classificados de acordo com sua energia[37]
a) Lentos ou térmicos: 0,025 (eV) a 0,5 (eV)
b) Intermediários ou epitérmicos: 0,5 (eV) a 10 (keV)
c) Rápidos: 10 (keV) a 20 (Me V)
Os nêutrons de grande energia (nêutrons rápidos) atravessam materiais mais
densos sem perder muita energia. Os átomos de hidrogênio são capazes de causar
grande redução de energia desses nêutrons, assim, os elementos que contem um número
elevado de átomos de hidrogênio. Por exemplo, a água representa uma boa blindagem
contra os nêutrons [37], alguns elementos químicos, como o boro (na forma de ácido
bórico ou de metal) e o cádmio (em barras metálicas) têm a propriedade de absorver
nêutrons [39].
Em compensação, quando os nêutrons perdem bastante energia
transformam-se em nêutrons térmicos, que podem ser capturados por um núcleo,
alterando a estrutura desse núcleo e tornando-o radioativo, capaz de emitir radiação
gama de alta energia [33].
21
A realização das análises sobre os tipos de radiações ionizantes foram realizadas
com o objetivo de entender a natureza das mesmas e de que forma eles interagem com a
matéria sabendo que no espaço do trabalho do sistema robótico existem estes tipos de
radiações. As radiações ionizantes representam uma preocupação para o ser humano que
está trabalhando em uma área de alto risco, exposto a este tipo de radiação, mas alem
deste tipo de radiação, o ser humano está exposto à radiação natural. Estas fontes de
radiação são apresentadas em seguir.
Fontes de radiação natural e artificial: A radiação ambiental é composta tanto
da radiação natural quanto da artificial. O ser humano sempre esteve exposto a
radiações naturais (rádio e radônio existente no subsolo terrestre, elementos radioativos
existentes no corpo humano como potássio-40, carbono-14 e rádio-226 e radiação
cósmica) também expostos a radiação artificial (radiografias médicas, televisão, centrais
nucleares). A exposição média por pessoa proveniente de fontes naturais é de 2,4 mSv
por ano, podendo haver variação, dependendo da região onde o indivíduo resida [34].
Na Figura 2.8 é apresentada a distribuição percentual da exposição do homem às fontes
de radiação, na mesma pode-se observar que a radiação natural representa 67,6% e
somente 0,45% é devido a exposição ocupacional.
Figura 2.8 Distribuição percentual da exposição do homem às fontes de radiação [32].
Uma vez que o ser humano está exposto à radiação natural de qualquer forma,
no caso da exposição à radiação artificial (por motivo profissional) deve ser feita dentro
22
de alguns limites e sabendo os riscos decorrentes desse tipo de trabalho. No parágrafo a
seguir são apresentados alguns limites de radiação aceitos pela CNEN.
Radioproteção
(Proteção
Radiológica):
A
Proteção
Radiológica
ou
Radioproteção tem como objetivos evitar ou reduzir os efeitos nocivos das radiações
sobre o ser humano sejam elas de origem natural ou artificial. Na Tabela 2.6 são
apresentados os limites radiológicos anuais de dose equivalente (quantidades de
radiação) adotados pela CNEN, onde a dose equivalente efetiva deve ser de 20 mSv por
ano em um período de cinco anos, sendo aceitável até 50 mSv em um único ano. São
considerados indivíduos do público qualquer membro da população não exposto de
maneira ocupacional à radiação e são consideradas extremidades: mãos, antebraços, pés
e tornozelos.
Tabela 2.6 Limites radiológicos anuais adotados pela CNEN [33].
Dose Equivalente
Efetiva
Para extremidades
Trabalhador
50 (mSv)
500 (mSv)
Público
1 (mSv)
50 (mSv)
Existem métodos de proteção contra as radiações artificiais externas (radiações
provenientes de fontes fora do corpo humano) que dependem de variáveis como: tempo,
distância e blindagem [33] que são explicados em seguir: (i) Tempo: a dose absorvida
por uma pessoa é diretamente proporcional ao tempo em que ela permanece exposta à
radiação. Qualquer trabalho em uma área controlada deve ser cuidadosamente
programado e realizado no menor tempo possível. (ii) Distância: para as fontes
radioativas normalmente usadas na indústria (fontes “pontuais”) pode-se considerar que
a dose de radiação é inversamente proporcional ao quadrado da distância, isto é,
decresce com o quadrado da distância da fonte à pessoa. (iii) Blindagem: é o modo mais
seguro de proteção contra as radiações ionizantes, uma vez que os dois métodos
anteriores dependem de um controle administrativo contínuo dos trabalhadores.
Na Figura 2.9 são apresentados os métodos possíveis utilizados para proteção
contra radiação gama emitida de uma fonte, que são: manter-se pouco tempo junto à
fonte e manter uma máxima distancia da mesma utilizando uma blindagem.
23
Figura 2.9 Métodos proteção contra uma fonte de radiação gama Distribuição.
Mesmo utilizando todos os métodos de proteção contra radiação ionizante, existe
a possibilidade de ocorrer o fenômeno de irradiação. Quando um indivíduo permanece
em um campo de radiação ionizante (gerado de uma fonte externa) recebendo uma dose
de radiação, sem que haja contato direto com a fonte, ocorre o fenômeno de irradiação
durante a permanência neste campo [33].
Diferença entre irradiação e contaminação: No caso da contaminação, o
material radioativo fica em contato com o indivíduo, a diferença apresentada
visualmente na Figura 2.10. Quando um ser humano é irradiado para tratamento de um
tumor, não fica radioativo ou os alimentos irradiados e produtos esterilizados por
radiação também não ficam radioativos.
Figura 2.10 Distribuição A diferença entre irradiação e contaminação [33].
A contaminação pode ser externa, quando o material se deposita sobre a pele e
passa a irradiar o indivíduo ou interna, quando o material entra no corpo, via pulmão,
intestino ou poros. Nesse caso, enquanto houver material radioativo no indivíduo, ele
24
está sendo irradiado e contaminado. Desde momento que o indivíduo sofreu o fenômeno
de irradiação ou contaminação (dependendo de tipo de fonte, de tempo, de distancia) é
gerada uma serie de efeitos biológicos por causa da exposição à radiação. Estes efeitos
biológicos são provocados pelo fato que as radiações ionizantes reagem com os átomos
que constituem a base das moléculas biológicas [33]. Os seres vivos são constituídos,
principalmente, por átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, e nitrogênio e a água
representam a substancia encontrada em maior quantidade na composição química de
um ser vivo, participando de todas as reações metabólicas no organismo. Então em caso
de exposição às radiações, as moléculas atingidas em maior parte serão as moléculas de
água.
Portanto a proteção contra a radiação ionizante deve ser resolvida com muita
atenção pelos fatores responsáveis, qualquer atividade envolvendo radiação ou
exposição a radiações deve ser justificada em relação a possíveis alternativas. Uma das
alternativas possíveis representa a utilização de sistemas robóticos para realização de
tarefas em áreas expostas à radiação ionizante, protegendo dessa maneira o ser humano.
Mesmo utilizando sistemas robóticos como uma solução da realização das tarefas em
ambiente com radiação ionizante, isto faz nascerem outras preocupações, os efeitos das
radiações em matérias que compõem o sistema robótico.
No capítulo seguinte se realiza uma análise sobre a influencia das radiações
ionizantes em matérias.
25
3 INTERAÇÃO DAS RADIAÇÕES IONIZANTES COM A
MATERIA.
Neste capítulo serão apresentados os tipos de materiais necessários para a
construção de um sistema robótico móvel de inspeção visual exposto à radiação
ionizante, já que estas, além de ser perigosa, para o ser humano, também são
prejudiciais para os equipamentos eletrônicos. Dessa forma quando se projeta um
sistema para uma área nuclear, os fatores principais que devem ser levados em
consideração é aqueles que limitarão a vida útil e a confiabilidade do sistema, como são:
o tipo de radiação, a dose de radiação absorvida pelo sistema [37], o tempo de
exposição e a distância entre robô e a fonte de radiação.
Como foi apresentada anteriormente, a radiação ionizante é caracterizada por seu
poder de interagir com a matéria. Nessas interações, ocorre à transferência de energia da
radiação para a matéria, provocando uma série de excitações e ionizações de átomos ao
longo do seu percurso. Caso a energia transferida seja superior à energia de ligação do
elétron com o restante da estrutura atômica, esse é ejetado de sua órbita. A exposição do
ser humano numa área que contem radiação ionizante gera danos biológicos ao mesmo,
mas também os materiais de um sistema robótico envolvidos nessa área são vulneráveis
a este radiação e o sistema não toleram uma permanente exposição à radiação [40].
Descrição do ambiente nuclear: Os principais tipos de radiações ionizantes mais
importantes para os projetistas de um equipamento robótico que deve realizar tarefas em
uma área exposta a essas radiações são: gama, beta, alfa e nêutron [40]. A radiação de
nêutrons influencia consideravelmente os dispositivos eletrônicos, mas o nível desse
tipo de radiação é muito baixo fora do reator. Os nêutrons são encontrados geralmente
dentro do reator e não constitui uma preocupação. O problema principal para o sistema
robótico é considerado a radiação gama, essa radiação é penetrante, embora a radiação
alfa tenha importância particular para as camadas das superfícies, pinturas e para os
materiais isolantes dos cabos [41]. A radiação alfa e beta preocupam basicamente
quando o material radioativo entra em contato direto com o equipamento robótico [42].
Para blindar as partículas alfa e beta utiliza-se material como acrílico, teflon, PVC,
polietileno, segundo a [32].
26
Efeitos da radiação em materiais utilizados nos sistemas robóticos: Os danos
criados por radiação gama em robótica e sistemas eletrônicos são mais preocupantes
para os projetistas de sistemas robóticos e por isso em seguir são efetuadas análises
sobre os efeitos induzidos dessa radiação em matérias [40] [43] [44].
A radiação gama quebra as cadeias atômicas e por esse fato a estrutura dos materiais é
seriamente afetada e preocupante. Entre esses materiais que sofrem o fenômeno de
decomposição por motivo da influência da radiação gama são: teflon, óleos, graxas,
colas e a lente ótica [42].
Principais interações da radiação gama com a matéria: Quando a radiação
gama interage com algum material, ela cria dois efeitos, um de ionização e outro de
deslocamento atômico [43][37], efeitos que retiram elétrons dos átomos do material e os
elétrons tirados podem criar reações secundárias. As conseqüências imediatas ou de
longo prazo produzidas pela ionização e pelo deslocamento atômico dependem
fortemente do material [37]. O efeito da radiação nos materiais cria uma mudança
gradual nas suas propriedades e não uma falha súbita.
Blindagem contra radiação: A blindagem contra radiação ionizante é um
método realizado pela introdução deliberada de material absorvedor entre a fonte de
radiação e o objeto que será protegido com o objetivo de reduzir a intensidade da
radiação [37]. Portanto, ela está relacionada com a interação da radiação ionizante com
a matéria. A proteção pode parar toda a radiação ou não, dependendo do tipo de
radiação e também do tipo e quantidade de material de proteção, da densidade e
espessura do material usado para proteção. A escolha do material a ser empregado na
blindagem depende de razões econômicas e de espaço disponível também. Os materiais
mais comuns empregados em blindagens contra radiação gama são: o chumbo (Pb),
porém o tungstênio (W) pode ser usado por um custo muito maior se for necessária uma
blindagem com dimensões reduzidas [37].
O uso de blindagem contra radiação diminui o nível de degradação dos
componentes expostos à radiação, aumentando a vida útil do sistema. Na Figura 3.1 é
apresentada a forma de atenuação do feixe incidente da radiação usando um material
absorvedor para blindagem. Assim é apresentada a noção de coeficiente de atenuação
linear total, µ que caracteriza a feixe incidente da radiação que entra num material,
com objetivo de ver qual é a atenuação do feixe quando percorre esse material.
27
Figura 3.1 Representação esquemática da atenuação do feixe incidente da radiação usando um material
para blindagem.
A radiação eletromagnética cede energia quando encontra a blindagem e vai
perder fótons do feixe incidente, diminuindo o feixe emergente, esse processo é
chamado atenuação. A atenuação é um processo exponencial (apresentado na Figura
3.2) em função da espessura do material da blindagem e é descrito de [32]: quando um
feixe de radiação gama ou raios-X incide sobre um material de espessura x, Figura 3.3,
parte do feixe é espalhada, parte é absorvida e uma fração atravessa o material sem
interagir. A intensidade I do feixe emergente está associada à intensidade I0 do feixe
incidente, pela relação (3.1).
I = I ∗e
− µ*x
0
(3.1)
Onde:
I → representa a intensidade do feixe emergente.
I0 → representa a intensidade do feixe incidente.
µ → representa o coeficiente de atenuação linear total (cm-1)
x → representa espessura do material da blindagem.
Figura 3.2 Representação da atenuação de uma feixe de radiação gama em um material de espessura x
[32]
28
Figura 3.3 Representação da atenuação do feixe incidente de radiação gama em um material de espessura
x
Na Figura 3.4 é apresentado uma aplicação para cálculo da espessura do material
de blindagem contra radiação gama. Assim, sabendo os valores da intensidade do feixe
incidente, a densidade do material, o coeficiente de atenuação linear total e a
intensidade desejada do feixe depois que a mesma passou do material, se calcula a
espessura da blindagem, x.
Figura 3.4 Aplicação para o cálculo da espessura da blindagem para radiação gama.
Componentes tolerantes à radiação: A condição de um componente ser
tolerante à radiação denota o fato que esse dispositivo é projetado por um processo
específico que o faz resistente à radiação [37]. Os componentes tolerantes à radiação são
oferecidos por um número limitado de fabricantes e são geralmente desenvolvidos para
aplicações aeroespaciais ou militares. Os componentes tolerantes à radiação são
testados, aprovados e garantidos pelos fabricantes, que certificam a resistência à
29
radiação de um dispositivo tolerante e não há nenhuma necessidade de testar os
componentes porque as características já são disponíveis e garantidas.
3.1 Métodos
Disponíveis
para
Aumentar
a
Vida
Útil
dos
Componentes Eletrônicos de um Sistema Robótico.
Os principais métodos para aumentar a vida útil dos componentes eletrônicos de
sistemas robóticos que são expostos à radiação diferentes ao uso do método de
blindagem.
3.1.1 Método 1: evitar o uso de componentes eletrônicos
O modo mais fácil para fazer um sistema tolerante na radiação é evitar o uso de
componentes eletrônicos em uma área com dose alta de radiação. As partes mecânicas
podem ficar expostas à radiação, mas a eletrônica associada será protegida em uma área
menos agressiva. A maioria dos robôs de intervenção usa um cabo umbilical que une o
robô com a sua estação de controle, então a eletrônica embarcada é mantida a um
mínimo porque o controle é alcançado na estação de controle, longe da radiação. Essa
técnica não é compatível com a complexidade dos novos sistemas robóticos porque os
mesmos usam mais sensores com eletrônica embarcada que é sensível a radiação [41].
3.1.2 Método 2: sistema de tipo modular
Os elementos sensíveis deveriam ser agrupados em módulos de mesma
tolerância à radiação, projetando assim um sistema do tipo modular.
3.1.3 Método 3: monitorização do sistema robótico
É necessário que o sistema robótico tenha a capacidade de diagnosticar e
monitorar os tipos de radiações ionizantes existentes na área de operação do próprio
robô, isso pode ser feito usando detectores de radiação embarcada. Os efeitos
30
produzidos pela interação da radiação com o detector permitem chegar a conclusões
sobre a quantidade e propriedades da radiação detectada.
3.2 Técnicas para Projetar Sistemas Eletrônicos Tolerantes à
Radiação
Essa técnica consiste em achar os componentes mais sensíveis à radiação no
projeto inicial e a sua posterior substituição. Para cada componente do circuito são
medidas e analisadas as suas características durante exposição à radiação, depois é
decidido se ele pode ser usado num circuito tolerante à radiação. Esse método requer
um período longo de tempo para medir, analisar e tomar conclusões.
Uma outra técnica é a irradiação do circuito original. Quando uma falha
acontece durante a irradiação, o circuito será testado para descobrir a origem da falha e
o elemento responsável. Esse componente é substituído e a irradiação continua até a
próxima falha.
Outra técnica é desenvolver um circuito tolerante à radiação usando um
programa de simulação tal como Spice. Esse software simula cada elemento de um
circuito e se leva em consideração a resposta do dispositivo em diferentes condições de
temperatura e dose de radiação. Os simuladores de circuitos possibilitam uma análise
mais rápida e segura do que a montagem física do circuito.
3.3 Estudo dos Diversos Materiais Empregados em Sistema Robótico
Submetido à Radiação Ionizante
Nesse parágrafo são apresentados os efeitos induzidos de radiação ionizante nos
materiais expostos a esse tipo de radiação. Dessa forma na etapa de escolha dos
materiais do sistema robótico é importante levar em consideração as condições
existentes no espaço de trabalho do sistema que representa um caso especial por causa
das temperaturas e níveis de radiação envolvidos, [41]. Na Tabela 3-1 é apresentado um
exemplo de condições atmosféricas existentes no compartimento do reator.
31
Tabela 3-1 Condições da câmera do reator, [41].
Característica ambiente
Valor
Temperatura
0-50º C
Tipos radiação
α, β, γ , nêutron
Pressão atmosférica
ambiente
Umidade
0-100 % RH
Composição atmosférica
0-20 % oxigênio
Taxa de dose
0-10 kGy/h
Dose total
0-1 MGy
Para os operadores humanos que trabalham em ambiente nuclear, a dose
acumulada por ano deve ser menor que 20 mGy, a eletrônica análoga começa a se
degradar a 10 Gy e os circuitos integrados tolerantes a radiação geralmente não podem
ser usados acima de 10 kGy [45]. Em função da dose total (dose acumulada) e da taxa
de dose (corresponde a variação de dose no tempo, expresso em Gy/h) de radiação, se
pode delimitar áreas distintas de radiação no caso das aplicações tele-operadas típicas
em plantas nucleares [45] [46].
Área A: área com taxa de dose <0.01 (Gy/h) e <10 (Gy) dose total. No caso de
aplicações nessa área não são necessários componentes tolerantes à radiação. Nesse tipo
de área normalmente são feitas atividades típicas de descontaminação e manutenção.
Tabela 3-2 Taxas de dose de radiação para uma área A
Área A
Taxa de dose Gy/h
<0.01
Dose total Gy
<10
Área B: área com taxa de dose <10 (Gy/h) e <100 (Gy) de dose total. É
requerida a tolerância à radiação nos componentes do sistema robótico. Nesse tipo de
área normalmente são feitas atividades típicas de descontaminação e inspeção.
32
Tabela 3-3 Taxas de dose de radiação para uma área B
Área B
Taxa de dose Gy/h
Dose total Gy
<10
<100
Área C: área com taxa de dose <100 (Gy/h) e <1M (Gy) dose total.. Nessa área,
a solução de componentes tolerantes à radiação não está mais disponível no mercado.
Nesse tipo de área normalmente são feitas atividades como intervenções no recipiente
de reator e trabalho na cela-quente.
Tabela 3-4 Taxas de dose de radiação para uma área C
Área C
Dose total Gy
Taxa de dose Gy/h
<1000
<1M
Área D: área com taxa de dose <100 (Gy/h) e <1M (Gy) dose total. Nessa área a
eletrônica tolerante à radiação não está disponível. Aplicações típicas para essa área são:
manutenção do reator e manipulação do material radioativo (elemento combustível
irradiado).
Tabela 3-5 Taxas de dose de radiação para uma área D
Área D
Taxa de dose Gy/h
<10.000
Dose total Gy
<1M
Os resultados que serão apresentados a seguir representam uma estimativa dos
efeitos da radiação gama em matérias e são baseados nas pesquisas de diversas fontes
como [37][40][41][42][46][53], considerando o estudo das componentes do sistema
robótico como subsistema mecânico e subsistema elétrico e eletrônico.
3.3.1 Componentes mecânicos e eletromecânicos
Para analisar o impacto da radiação sobre o todo sistema é realizado um estudo
sobre os componentes constituintes:
33
Motores: As partes metálicas dos motores não são problemáticas à radiação,
mas os motores não são feitos exclusivamente de metais, eles também contêm
combinações orgânicas como lubrificantes e elastômeros. Essas partes são sensíveis à
radiação e os danos gerados por falha nesses componentes podem provocar danos ao
motor [37]. A radiação induz diminuição do desempenho ou falha total de motores
causada por influência da radiação em vários componentes: perda de isolamento nas
bobinas do motor; o endurecimento do lubrificante nas caixas de engrenagem e nos
rolamentos [41].
Rolamentos: Os rolamentos são resistentes à radiação e a escolha de um
lubrificante tolerante à radiação é uma tarefa importante, já que os lubrificantes perdem
a viscosidade depois de 10 kGy de dose total [37]. Os lubrificantes sintéticos são mais
resistentes à radiação do que lubrificantes naturais, porém qualquer combinação que
contém flúor sensibiliza o lubrificante à radiação.
Sensores mecânicos: Mas esses tipos de sensores são inadequados para
aplicações nucleares onde são preferidos os sensores passivos e robustos com eletrônica
remota. Existe uma variedade de sensores mecânicos que medem deslocamento,
pressão, aceleração, vibração, etc. Os sensores metálicos são muito resistentes, contanto
que os isoladores e os conectores não sejam comprometidos. Os sensores piezelétricos
também têm uma boa tolerância à radiação e podem operar sem falha até 100 kGy.
Diversos
sensores
mecânicos
também
usam
elementos
de
semicondutores,
particularmente acelerômetros, sensores de pressão, já que contém semicondutores são
sensíveis às radiações precisando proteção.
Sensores de distância: em aplicações nucleares são preferidos aos sensores com
eletrônica remota. Para medir a distância são considerados três tipos de sensores:
eletromagnético para curta distância, ultra-som para grandes distâncias e grande
cobertura angular e sensores óticos. No caso do sensor eletromagnético, a eletrônica
pode ser remota, embutindo somente o componente passivo à radiação. Conforme os
testes, usando um design adequado, a tolerância à radiação vai até 20 MGy e foi
observada uma pequena descalibração.
Sensores de ultra-som: os sensores de ultra-som são usados para muitas
aplicações robóticas. Precisão ao redor de 99% pode ser alcançada, mas deve ser levada
em consideração a influência dos parâmetros ambientais, tal como temperatura ou
turbulência de ar, como também as reflexões indesejáveis.
34
Sensores ópticos: São resistentes à radiação ionizante e os piezelétricos têm
uma boa tolerância à radiação e podem operar sem falha até 100 kGy [37]. No caso dos
sensores de distancia, aqueles eletromagnéticos a tolerância à radiação vai até 20 MGy,
os sensores de ultra-som têm tolerância à radiação gama de 10 MGy, segundo a [41] e
no caso dos sensores óticos o problema é que as características da superfície podem
afetar grandemente a medida. As radiações ionizantes degradam os emissores e
receptores, isso afeta diretamente a calibração, fazendo com que a qualidade e o
desempenho da medida sejam prejudicados. Na Tabela 3-6 são apresentados alguns
limites de radiação para sensores.
Tabela 3-6 Limites de radiação para sensores[ 37].
Tipo sensor
Sensor ultra-som
Sensor ótico
Sensor tátil
Sensor indutivo
Dose total
(MGy)
10
10
0,3
20
Taxa de dose
(kGy/h)
10
10
0,3
10
3.4 Estudo do Comportamento dos Materiais Expostos À Radiação
Gama
3.4.1 Materiais inorgânicos.
Metais: A estrutura molecular dos metais é resistente à ação da radiação gama,
mas a exposição dos mesmos a radiação gama gera calor que pode danificar
indiretamente o sistema [37], [53].
Na Tabela 3-7 os valores limites de dose total de radiação nos metais mais
usados são apresentados.
Tabela 3-7: Valores limites de dose total de radiação em alguns metais.
Metal
Alumínio e suas ligas
Inox série 300
Inox série 400
Ferro
Níquel e suas ligas
Valor limite (Gy)
5 * 1011 Gy
1 * 1011 Gy
5 * 1010 Gy
3 * 1010 Gy
1 * 1010 Gy
35
Cerâmica: É utilizada como revestimento para substituir os revestimentos de
plástico ou como dielétrico em condensadores. A influência da radiação na cerâmica se
manifesta pelo aumento do seu volume.
Na Tabela 3-8 são apresentados os valores limites de dose total de radiação para
alguns tipos de cerâmica.
Tabela 3-8: Valores limites de dose total de radiação para alguns tipos de cerâmica.
Nome da cerâmica
Alumina
Carboneto de silicone
Mica
Quartzo
Valor limite (Gy)
5 * 1010 Gy
6 * 108 Gy
5 * 107 Gy
2* 107 Gy
Vidro: Os vidros especiais destinados à proteção nuclear são os vidros ópticos
que bloqueia a radiação e é resistente a ela. O vidro com chumbo (é o resultado de
fórmulas que combinam silício e potássio com óxido de chumbo.) absorve radiação e
fornece uma boa proteção à radiação nuclear [54], mas esses tipos de vidros atenuam a
luz visível também. Qualquer escurecimento do vidro provocado pela radiação afeta a
visão do operador e é indesejável. A introdução de menos 2,5% de óxido de cério IV
(CeO2) na composição do vidro faz que o mesmo não obscureça, mas a introdução desse
estabilizador junto com o chumbo gera uma tonalidade amarela no vidro que aumenta
proporcional com a concentração de chumbo [37]. Uma solução será a colocação de
vários vidros com chumbo uma em cima de outra, assim acrescenta a concentração de
chumbo, mas não aquela de oxido de cério. Uma grande desvantagem da mistura do
óxido de cério com o chumbo é o risco de descarga eletrostática. Assim, um vidro com
chumbo exposto a radiação pode liberar sua carga eletrostática acumulada produzindo
rachas que podem afetar a integridade do vidro.
Na Tabela 3-9 são apresentados os valores da taxa de transmissão da luz em
diversos tipos de vidro antes e depois da exposição dos mesmos à radiação.
Tabela 3-9: Taxas de transmissão da luz para diferentes tipos de vidro.
Material Vidro
Taxa dose total
(MGy)
Transmissão
Transmissão da luz depois de radiação para vários
da luz antes
comprimentos de onda
de radiação
400 nm
500 nm
600 nm
700 nm
0%
3%
25 %
46 %
Vidro óptico
10
98%
Vidro de chumbo
50
94 %
0%
1%
11 %
21 %
Quartzo
10
99 %
35 %
30 %
31 %
56 %
Vycor
0,2
99 %
0%
0%
0%
1%
Vycor protegido
5
99 %
24 %
24 %
36 %
61 %
36
3.4.2 Materiais orgânicos
Polímeros e plásticos: Existe no mercado uma grande quantidade de tipos de
polímeros, derivados de diferentes compostos químicos. Os tipos de polímeros mais
utilizados atualmente são: polietileno, polipropileno, poliestireno, poliéster e
poliuretano. Os danos em polímeros expostos à radiação gama resultam em: trincas,
empolamento da superfície e diminuição da resistência mecânica [37] [53].
Alguns polímeros (Celulose, Poliamida) como o teflon são sensíveis à radiação
gama. O teflon (PTFE: polytetrafluorethylene), por exemplo, é degradado depois 100
Gy. Por esse motivo o teflon não é utilizado em ambientes sujeitos à radiação gama[37].
Os polímeros de halogênio e fluoro carbonatos liberam substâncias químicas
corrosivas como HCL (cloreto de hidrogênio) e HF (fluoreto de hidrogênio) quando são
expostos à radiação, e esses gases afetam o polímero e a liberação dessas substâncias
aumenta o nível de oxidação [37]. Os tipos desses polímeros são: PVC, PVDF, Teflon e
Viton. Na Tabela 3-10 se apresenta a resistência à radiação de alguns polímeros.
Tabela 3-10: Resistência à radiação em alguns polímeros [37] [52].
Resistência à radiação
Polímero
Fibra de vidro fenólico
Epóxi
Poliuretano (PU)
Muito boa
Poliestireno (PS)
Carga mineral de poliéster
Resina furânica
Polivinil carbazol
Polietileno (PE)
Moderada
Resina de melamina-formaldeído
Resina anilina-formaldeíco
Resina de silicone
Metacrilato de metila
Baixa
Celulose
Poliamida (PA)
Teflon
37
Elastômeros: Os elastômeros apresentam tanto características de materiais
sólidos como de líquidos, sendo assim considerados materiais viscos elásticos. As
borrachas naturais e sintéticas raramente são utilizadas na forma pura. Para que possam
ter aplicação prática, são introduzidos ingredientes, cuja escolha é baseada no conjunto
de propriedades desejadas. Um elastômero é misturado a outro por as seguintes razões
principais: Para melhorar as propriedades do elastômero original, melhorar o seu
processamento e razão de custos.
As propriedades mecânicas como resistência à tração, compressão e
alongamento são afetadas pela radiação. A degradação provocada pela radiação depende
da base do polímero e da concentração dos aditivos. Alguns aditivos como aminas e
fenóis podem proteger o elastômero dos efeitos da radiação [37]. Os danos em
elastômeros por causa da radiação se apresentam depois de uma dose total de 10 kGy.
Camadas de proteção Às camadas orgânicas consistem em um filme fino de
polímero, com dupla função: estética e de proteção contra corrosão. Eles são usados em
ambientes com radiação para uma descontaminação mais fácil e as camadas orgânicas
sofrem degradação por causa da radiação. A degradação das camadas de proteção pela
radiação gama depende da composição e de fatores como: temperatura, tipo e
preparação da superfície [37]. Na Tabela 3-11 são apresentados os danos criados em
algumas camadas de proteção para diferentes superfícies.
Tabela 3-11: Danos em camadas de proteção [37] [52].
Tipo polímero
Superfície
Taxa de dose Danos
(Gy)
Epóxi
Aço
6,7* 10 6
Sem falha
Furâno
Concreto
9,4* 10 6
Sem falha
Aço
8,4* 10
6
Sem falha
Concreto
6,7* 10 6
Sem falha
Aço
6,7* 10 6
Sem falha
Concreto
8,7* 10 6
Empolamento
Aço
8,7* 10 6
Rachaduras
Alumínio
2,1* 10 6
Empolamento
Concreto
1,1* 10 7
Estragos nas beiradas
Silicone alquídico
Estireno
Vinila
38
Adesivos: A radiação danifica as substâncias químicas presentes nos adesivos e
diminui o número de ligações existentes. A degradação dos adesivos expostos à
radiação é acelerada por outros fatores como: vibrações, temperatura e uma
concentração mais alta de oxigênio no ar [37] [53]. Na Tabela 3-12 é apresentada o
valor limite de radiação para o surgimento de dano em alguns adesivos.
Tabela 3-12 Valor limite de radiação para alguns adesivos [77] [92].
Adesivo
Neoprene fenólico
Epóxi fenólico, vinila fenólico, nylon
fenólico
Neoprene-nylon-fenólico
Valor limite (Gy)
10 6
10 7
5* 10 5
Lubrificantes: Óleo e graxa são usados em mecanismos com função de reduzir
a força de atrito, mas também resfriar e prevenir corrosão. Lubrificantes são materiais
orgânicos feitos de óleo natural ou sintético e de aditivos. A concentração do aditivo
controla as características do lubrificante, isto é, a viscosidade, condutividade térmica,
calor específico, capacidade corrosiva, temperatura e estabilidade química.
Esses parâmetros são afetados pela radiação porque a degradação química das
moléculas orgânicas vai provocar um aumento na viscosidade que pode conduzir a uma
polimerização e uma destruição do aditivo assim que as propriedades físicas serão
modificadas. Os lubrificantes mais tolerantes à radiação são: polifenil, poliéter e alquila
aromático. Na Tabela 3-13 os valores limites de radiação gama para alguns lubrificantes
são apresentados.
Tabela 3-13: Valores limites de radiação gama para alguns lubrificantes [37] [52].
Lubrificante
Valor limite (Gy)
Sem estragos significantes em lubrificante
< 10 4
Fosfato aromático, silicone, alifático éster
10 4 a 10 5
Diester, Ester aromático
10 5 a 10 6
Óleo mineral
10 6 a 10 7
Polifenil, poliéter e alquila aromático
10 7 a 10 8
Não existe lubrificante tolerante à radiação
> 10 8
39
Cabos: O isolamento de polímero flexível, como PVC (policloreto de vinila) e
PE (polietileno), não é resistente à radiação, pois perde as propriedades elétricas e
mecânicas [37] [52].
Os cabos tolerantes à radiação usam PEEK (poliéter-éter-cetona) e PI
(poliimida) que não falhará até 70 MGy. Então, para uma melhor resistência à radiação
são preferidas:
a) Radox (poliolefina)
b) PEEK que tem uma tolerância à radiação de 10 MGy de dose total e
resiste a temperaturas de até 120º C
c) Kapton (poliimida-PI)
Esses cabos são normalmente mais rígidos e isso causa maior tensão nos
conectores. Em robôs móveis a flexibilidade do cabo é importante e a integridade do
mesmo deve ficar intacta mesmo após o contato com substâncias químicas corrosivas.
Os cabos comercialmente disponíveis (excluindo Teflon) não apresentaria degradação
significante até uma dose total de 1 MGy. Borrachas de poliuretano (PU) são resistentes
até 50 MGy e são mais flexíveis [37] [52].
Conectores e interruptores: A sensibilidade dos conectores e interruptores à
radiação é determinada em função de seus componentes poliméricos. Os plásticos e
polímeros sofrem contrações, fissuras que alteram as suas propriedades mecânicas e de
isolamento. A descontaminação do equipamento robótico é realizada após a sua
utilização no ambiente contaminado pela radiação. Os conectores devem ser projetados
para evitar a contaminação dos componentes internos do sistema e também serem de
fácil descontaminação. Na Tabela 3-14 as taxas de dose para provocar dano em alguns
conectores e interruptores são apresentadas.
Tabela 3-14: Taxa de dose que ocasionam danos em conectores e interruptores.
Componentes
Taxa de dose para produzir dano de 25% (Gy)
Conector poliestireno (PS)
6*10 7
Conector polietileno (PE)
9*10 5
Conector cerâmico
3*10 6
Conector melanina plástico
3*10 6
40
3.4.3 Materiais ópticos
Fibras óticas são elementos de transmissão que utilizam sinais de luz codificados
para transmitir os dados. A fibra ótica pode ser feita de plástico ou de vidro, revestida
por um material com baixo índice de refração. Cabos singelos de fibra ótica (Figura 3.5)
têm uma configuração similar aos cabos coaxiais comuns sem a blindagem metálica.
O núcleo é a fibra propriamente dita que transmite os sinais óticos. A cobertura é
também de vidro com índice de refração diferente. É envolvida por um revestimento de
plástico, uma malha para reforço mecânico (nesse tipo) e uma capa externa.
Figura 3.5: Representação esquemática de um cabo singelo de fibra ótica.
O problema principal na aplicação de fibras ópticas em ambientes nucleares é a
presença de ionização que induz uma atenuação óptica em fibra [37] [52] [53]. As
operações remotas requerem várias transmissões de dados entre operador e um sistema
robótico. A mobilidade e a manipulação do sistema robótico estarão prejudicadas se os
cabos forem grossos com um grande número de condutores. Nesses casos é muito útil a
substituição desses tipos de cabos por fibras ópticas.
Em sistemas de comunicação por fibra óptica se exprima a atenuação em
decibéis por unidade de comprimento, dB/km. As fibras ópticas com sílica são mais
tolerantes à radiação sendo que esse tipo de tolerância à radiação para fibras ópticas
pode mostrar uma atenuação de 0,1 dB/m após a sua exposição a 1 MGy [37]. Os cabos
de fibra óptica com sílica são satisfatórios para operações de manutenção em ambientes
nucleares.
41
3.4.4 Componentes eletrônicos.
A princípio, em áreas com radiações ionizantes não é aconselhável a
utilização de eletrônica embarcada [31] [37] [40-54]. Para robótica móvel, até mesmo,
circuitos mais sofisticados ficam expostos à radiação, inclusive microprocessadores e
memórias.
Para
aumentar
a
tolerância
à
radiação
dos
semicondutores
CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor) são usados métodos de blindagem,
reduzindo a intensidade das radiações ionizantes. A tolerância desses semicondutores é
de 1 a 10 kGy e usando novas tecnologias denominadas SOI (Silicon On Insulador) ou
GaAs (Gallium Arsenide), a tolerância à radiação pode ser aumentada até 1 MGy [37].
Resistores: Os resistores possuem alta tolerância à radiação, mas os resistores
com filme de óxido podem falhar com apenas 10 Gy de exposição [37]. De acordo com
os estudos realizados [31][37][40-54], os resistores com resistência alta são mais
sensíveis à radiação do que os com baixa resistência. A radiação induz uma degradação
química nos materiais do resistor que conduz a uma diminuição na resistência elétrica.
Capacitores: Nos capacitores as superfícies condutoras não são afetadas pela
radiação, mas o dano no dielétrico influencia o desempenho do capacitor. Os
condensadores eletrólitos são os mais sensíveis a radiação e podem falhar perto de 100
Gy [37]. Os capacitores de vidro e cerâmico são os mais resistentes à radiação.
Semicondutores: Os principais materiais semicondutores utilizados na
eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício (Si), sendo este último o mais utilizado. A
radiação gama influencia a característica eletrônica dos semicondutores [31][37][4054], e a temperatura tem um grande impacto nas características dos semicondutores. O
aumento da temperatura é observado quando se expõe uma amostra à radiação. Uma
taxa de dose de 3,6 kGy/h é equivalente a uma dissipação de 1 Watt [37] [52].
Diodo: Os diodos são naturalmente resistentes à radiação. Na maioria dos casos
não se apresenta nenhuma mudança significativa das características dos diodos até 1
MGy [37] [52].
Transistores: Transistor bipolar: A tecnologia bipolar é conhecida por sua
resistência à radiação freqüentemente maior que 10 kGy [37] [52]. Transistor de efeito
de campo (FET): O FET pode ser dividido em duas categorias JFET e MOSFET. JFET
é o Transistor de efeito de campo de junção (JFET = Junction Field Effect Transistors)
apresentam uma tolerância à radiação maior até do que os dispositivos bipolares [37]
42
[52]. MOSFET é o Transistor de Efeito de Campo (FET) de porta isolada, ou
simplesmente é denominado MOS é tem o semicondutor de óxido de metal. Tecnologia
MOS: os dispositivos MOS (Metal Oxide Semiconductor) são muito sensíveis à
radiação. A tolerância deles normalmente é menor que 100 Gy e a utilização deles é
freqüentemente evitadas em ambientes com radiação [52] [55] [56]. A maioria dos
danos em dispositivos de MOS acontece no isolador de SiO2. A estrutura MOS é
apresentada nas Figura 3.6.
.
Figura 3.6: Estrutura MOS.
Tecnologias
CMOS/SOI
e
CMOS/SOS:
Os
semicondutores
CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor) são mais influenciados pela radiação
gama do que os dispositivos bipolares. Substituindo os dispositivos CMOS pelas
contrapartes bipolares ou com JFET pode ser alcançado um aumento razoável da
tolerância à radiação gama; a tolerância à radiação excede freqüentemente 1 MGy [37]
[52]. SOI (Silicon On Insulator) e SOS (Silicon On Saphire) são duas tecnologias que
foram adotadas para aumentar a tolerância da eletrônica à radiação. Um método de
proteção usado para reduzir a dose de radiação de um dispositivo é usar folhas de
chumbo, protegendo os componentes eletrônicos.
Optoeletrônica: A optoeletrônica combina elementos de tecnologia ótica e
eletrônica. O dano principal causado em vidro óptico por radiação ionizante é o
escurecimento (ou perda da transmitância). Transmitância é a quantidade de luz que
passa através de uma substância, Figura 3.7.
43
Figura 3.7: Transmitância é a quantidade de luz que passa através de uma substância.
Transmitância T ( ) de um comprimento particular de onda ( ), é a relação entre
a intensidade da radiação transmitida ( I ) e a intensidade da radiação incidente ( I0 ).
T( )=I / I0
(3.2)
Sensores de imagem: CCD e CMOS: Sensores CCD (Charge Coupled Device)
são compostos por milhões de fotocélulas que coletam fótons, as partículas que
compõem a luz, e os convertem em elétrons, produzindo uma carga elétrica que será
posteriormente transformada em uma voltagem amplificada e, finalmente, digitalizada.
Os sensores CCD são mais sensíveis à luz do que sensores CMOS, captando mais
tonalidades, com melhor brilho e contraste [37].
As falhas típicas das máquinas fotográficas com sensor de imagem CCD
acontecem depois de 100 Gy de dose total [57] [58]. Um efeito de “neve” degrada a
qualidade da imagem. Uma taxa de dose de 1 kGy/h normalmente é o limite superior de
utilidade para uma máquina fotográfica de CCD comercial.
Sensores CMOS: O sensor de imagem CMOS é baseado na tecnologia Active
Pixel Sensor (APS) [59] [60]. Um sensor APS-CMOS consiste em um conjunto de
células básicas (pixels) dispostas em linhas e colunas (array), de circuitos lógicos de
seleção para as linhas e colunas, circuitos amplificadores de saída (normalmente um por
coluna), conversor A/D e de um circuito de sincronização e controle.
Os sensores APS-CMOS também apresentam menor sensibilidade à radiação
tornando-os indicados para uso espacial e em ambientes radiativos como centrais
nucleares [59] [60].
44
Câmeras de vídeo: A visão remota é uma característica fundamental em
teleoperação, mas as câmeras de vídeo são sensíveis à radiação devido aos elementos
óticos delas: lentes, sistemas como: pan-tilt, foco, zoom; sensores de imagem como:
CCD; sistema de transporte da imagem como: prismas, periscópio, fibra óptica, cabos e
circuitos internos. Numa câmera com CCD sem blindagem, a dose aceita é entre 10 e
100 Gy [37] [53]. Nas câmeras tolerantes à radiação com sensor CCD a resistência a
radiação fica entre 100 Gy e 10 kGy. A qualidade da imagem tem tendência a se
degradar progressivamente [61] [62].
Microprocessador: O microprocessador é freqüentemente a parte mais crítica
de um sistema exposto à radiação. A maioria desses dispositivos usa tecnologia de MOS
e é então muito sensível à radiação. A dose limite de dano para processadores é de 10
Gy a 500 Gy [77].
Memória: A Random Access Memory (RAM) utiliza a tecnologia MOS e é
então sensível à radiação. A dose total de falha acontece tipicamente entre 50 Gy e 5
kGy. Memória RAM tolerante à radiação pode ser encontrada no mercado [37].
3.5 Seleção dos Materiais do Sistema Robótico
Mesmo utilizando sistemas robóticos como uma solução da realização das
tarefas em ambiente com radiação ionizante, isto cria outras preocupações, os efeitos
das radiações em matérias que compõem o sistema robótico. As analises efetuadas sobre
as condições do ambiente de trabalho do sistema robótico, demonstram que é um
ambiente hostil a ser humano. Portanto a utilização de um sistema robótico em lugar do
operador humano é uma solução necessária e no mesmo tempo imposta pelo fato de
risco que o individuo está exposto. Utilizando o sistema robótico como solução para
efetuar a tarefa de inspeção visual dentro do compartimento do reator, impõe uma
pesquisa e analise sobre os tipos de materiais utilizados no equipamento robótico,
devido ao fato que a radiação ionizante degrada os materiais expostos a esse tipo de
radiação. As conclusões das pesquisas sobre os materiais que podem ser escolhidos
serão apresentadas a seguir.
As radiações alfa e beta tem influência sobre as camadas das superfícies,
pinturas e para os materiais isolantes dos cabos, quando o material radioativo entra em
contato direto com o equipamento robótico e para blindar as partículas alfa e beta
utiliza-se material como acrílico, teflon, PVC e polietileno. O alcance (a distância que
45
uma partícula percorre antes de parar) dessas radiações depende da energia e como já
foi visto uma folha fina de alumínio de 22 (µm) barra completamente um faixa de
partículas alfa de 5 (MeV) e uma faixa de radiação beta de mesma energia 5 (MeV)
barrada de uma folha de alumínio de 940 (µm), por conseguinte as partículas alfa maior
alcance do que as partículas beta.
No caso das partículas gama a tarefa de escolha de mátrias resistentes a essa
radiação é mais difícil devido ao fato que as radiações gama são mais penetrantes do
que as radiações alfa e beta. Como solução contra a radiação gama pode ser utilizada
como blindagem de um material absorvedor, utilizando componentes tolerantes
(projetado por um processo que o faz ser resistente à radiação) a radiação e utilizar
métodos para aumentar a vida útil dos componentes de sistemas robóticos (evitar o uso
de eletrônica embarcada, agrupar em módulos os componentes de mesma tolerância à
radiação, monitorizar as radiações usando detectores de radiação embarcada).
A eletrônica análoga começa a se degradar a 10 Gy e os circuitos integrados
tolerantes a radiação geralmente não podem ser usados acima de 10 kGy [45]. O
funcionamento dos motores é indiretamente influenciado de radiação gama pelo fato
que a mesma degrada o lubrificante e por causa da perda de isolamento nas bobinas do
motor.
Desde o ponto de visto dos sensores, os sensores eletromagnéticos tem-se uma
tolerância à radiação até 20 MGy e os sensores de ultra-som têm tolerância à radiação
gama de 10 MGy. A estrutura molecular dos metais é resistente à ação da radiação gama
e pode ser escolhido um material de inox serie 300 que tem o valor de dose total de 1 *
1011 Gy.
Para proteger a câmera de vídeo utilizada para observar o ambiente remoto, se
utiliza vidro com chumbo que é vidro óptico que bloqueia a radiação. No caso dos
polímeros e plásticos são aceitos desde o ponto de vista da tolerância a radiação gama
os seguintes: fibra de vidro fenólico, epóxi, poliuretano (PU), Poliestireno (PS) e é
aconselhável não utilizar: Metacrilato de metila, Celulose, Poliamida (PA), Teflon [54]
[77].
No caso das camadas de proteção, as combinações entre superfície e o tipo de
polímero utilizado podem ser os seguintes: epóxi com aço, furano com aço, já a vinila
com alumínio da empolamento a uma taxa de dose de 2,1* 10 6(Gy).
46
Para os cabos, o isolamento de polímero flexível, como PVC (policloreto de
vinila) e PE (polietileno), não é resistente à radiação e é aconselhável utilizar PEEK
(poliéter-éter-cetona) e PI (poliimida), Radox (poliolefina) ou Kapton (poliimida-PI).
O problema principal na aplicação de fibras ópticas em ambientes nucleares é a
presença de ionização que induz uma atenuação óptica em fibra. Os cabos de fibra
óptica com sílica é uma boa opção para operações em ambientes nucleares. No caso dos
componentes eletrônicos é aconselhável não utilizar eletrônica embarcada, mas no caso
que se utiliza deve ser colocada blindagem contra radiação gama.
Os dispositivos MOS são muito sensíveis à radiação [92] [95] [96]. Substituindo
os dispositivos CMOS pelas contrapartes bipolares ou com JFET pode ser alcançado um
aumento razoável da tolerância à radiação gama; a tolerância à radiação excede
freqüentemente 1 MGy [77]. Os sensores de imagem CCD são mais expostos aos danos
devido a radiação gama do que os sensores de imagem CMOS [97-100].
Em tele-operação as câmeras vídeo são fundamentais, mas as mesmas são
sensíveis à radiação devido aos elementos óticos delas, assim que para uma câmera com
CCD sem blindagem, a dose aceita é entre 10 e 100 Gy [77] [93] enquanto nas câmeras
tolerantes à radiação com o mesmo sensor de imagem a resistência a radiação fica entre
100 Gy e 10 kGy. As analises efetuadas demonstram que o ambiente é hostil ao ser
humano, sendo hostil até para as matérias devido à radiação gama principalmente. Por
esse razão a proteção do individuo contra radiação ionizante é solucionada utilizando
um sistema robótico móvel tele-operado. E o estudo sobre a tele-operação será realizado
no próximo capítulo.
.
47
4 TELE-OPERAÇÃO EM AMBIENTE NUCLEAR
As pesquisas feitas sobre os tipos de sistemas que podem atuar em ambientes
hostis (com radiação, por exemplo) demonstram que o sistema de tipo tele-operado foi
adotado em várias situações como, por exemplo, no estudo realizado no [46]. No caso
do robô ROSA analisado em [64], do robô Rosie [65], Robicen III descrito na pesquisa
[66], INGRID e NEATER analisados de [41], KAEROT/m2 descrito no [42],
TELEMAN [40] e as pesquisas feitas em [37] [45] [53] demonstram que uma solução
para realização de tarefas em ambientes com radiação ionizante é a tele-operação. Essas
análises de pesquisa foram utilizadas posteriormente na escolha do tipo de sistema
robótico tele-operado. A opção da tele-operação é feita devido ao fato que, dessa
maneira são empregados no sistema robótico menos componentes sensíveis à radiação
ionizante (especialmente eletrônicos), visto que no caso de um sistema autônomo, os
componentes como sensores, processadores, memória, servo-motores são indispensáveis
e exatamente esses componentes são sensíveis à radiação ionizante. Utilizando teleoperação, o número dos componentes do sistema robótico é menor, e, desta forma, o
numero de danos é menor como é apresentado na Figura 4.1, baixando assim o custo do
sistema.
Figura 4.1 Esquema de comparação entre o sistema tele-operado e autônomo
48
A tele-operação é definida como o controle remoto do movimento realizado em
um modo contínuo e direto de um operador sobre uma máquina tele-operada, que está
situada a uma distância do operador com o propósito de executar diversas tarefas [67].
Inicialmente desenvolvida para a manipulação de materiais radioativos, a tele-operação
permite que um operador exerça força e realize movimentos através de dados visuais. A
distância pode variar entre dezenas de centímetros até milhões de quilômetros (no caso
de aplicações espaciais). A Figura 4.2 apresenta um esquema geral de tele-operação,
onde no ambiente local está localizado o operador humano que envia os comandos de
movimento para o tele-operador, situado no ambiente remoto, com o objetivo de realizar
uma ou mais tarefas.
Figura 4.2 Esquema geral de tele-operação.
A existência de ambientes impróprios à ação humana como centrais nucleares,
levou ao desenvolvimento de sistemas remotos de operação utilizando robôs móveis ou
veículos tele-operados para visualização e monitoramento de ambientes perigosos. A
Tele-operação de um veículo simplesmente significa controlar os movimentos de um
veículo a uma distância devido às condições ambientais difíceis ou hostis com o
objetivo de reduzir os riscos de exposição do ser humano em ambientes perigosos.
Na Figura 4.3 é apresentada uma possível forma de tele-operação em um
ambiente com radiação ionizante. Um computador é utilizado na área não contaminada,
protegida contra a radiação para enviar os comandos de movimento a um veículo
remoto. A comunicação entre o operador e o veículo remoto se faz através de uma
interface gráfica. O ambiente remoto pode ser visualizado pelo operador utilizando uma
câmera de vídeo montada no veículo.
49
Figura 4.3 Representação esquemática de uma forma de tele-operação.
Para operar efetivamente no ambiente remoto, o operador precisa de uma
informação visual suficiente para ser capaz de interpretar a cena remota e realizar a
tarefa de maneira efetiva e eficaz, porque a informação visual representa acesso
primário do operador ao sistema remoto. As câmeras de vídeo estão presentes em
qualquer modo de operação remoto como a principal fonte de percepção ambiental para
o operador. A iluminação, Figura 4.4 é uma condição crítica para operações remotas.
Dessa forma, uma boa iluminação contribui na diminuição do tempo de conclusão de
cada tarefa e na fadiga do operador humano.
Figura 4.4 Representação esquemática da percepção do ambiente remoto em tele-operação.
No caso da tele-robótica, a ação de tele-operação é executada por um robô.
Dessa forma, a tele-robótica representa uma combinação de tele-operação e controle
automatizado. Um tele-robô é capaz de executar um maior número de tarefas do que um
tele-operador ou do que um robô. Assim, usando a cooperação homem-robô, são
aumentadas as vantagens e minimizadas as limitações de cada um deles.
A tele-operação representa o primeiro nível na classificação dos sistemas
robóticos com respeito à autonomia e à evolução dos mesmos. Como se pode observar
50
na Figura 4.5, os primeiros desenvolvimentos de robôs foram com o aspecto de teleoperação, posteriormente, junto com o crescimento tecnológico, surgiram os robôs
semi-autônomos e depois os robôs autônomos.
Primeiro nível
Segundo nível
Terceiro nível
Teleoperado
Semi-Autônomo
Totalmente autônomo
Figura 4.5 Classificação dos sistemas robóticos com respeito à autonomia e evolução dos mesmos.
4.1 Transparência da Tele-operação
A “transparência” de um sistema tele-operado representa a capacidade do
mesmo em apresentar ao operador humano a sensação de operar “diretamente” no
ambiente remoto. Portanto, uma das metas principais em tele-operação é melhorar a
“transparência” do sistema. Algumas características importantes para melhorar a
“transparência” de um sistema tele-operado incluem:
•
Mobilidade da tele-operação, a qual depende da estrutura do veículo teleoperado.
•
A comunicação entre o operador humano e o veículo remoto.
•
Tempo de resposta entre um comando enviado e a realização do mesmo.
•
As extensões sensoriais do operador no ambiente remoto.
4.2 Classificação dos Sistemas de Tele-operação em Função do Grau
de Assistência do Computador com o Operador
Em função do grau de assistência do computador com o operador, os sistemas de
tele-operação podem ser classificados segundo [68] como:
•
Controle manual sem auxílio computacional;
•
Controle manual com significativo auxílio ou transformação computacional;
•
Controle supervisor com predomínio do controle realizado pelo operador
humano;
•
Controle supervisor com predomínio do controle realizado pelo computador;
51
•
Controle completamente automático, onde os operadores humanos observam o
processo sem intervenções.
4.3 Relação Homem–Máquina na Tele-operação
Na Figura 4.6 são apresentados os níveis de relacionamento homem-máquina no
caso de tele-operação [69].
Relação homem -maquina no caso de teleoperação
Modelo MestreEscravo
Modelo de
Telepresença
Modelo ProfessorAluno
. Modelo SupervisorCompanheiro
Figura 4.6 Representação esquemática do relacionamento homem-máquina na tele-operação.
4.3.1
Modelo Mestre-Escravo
Este modelo descreve o sistema de tele-operação mais tradicional. Neste caso, o
operador humano observa o ambiente de trabalho remoto através de um sistema de
vídeo ou por trás de uma janela de vidro de proteção e manipula o braço robótico mestre
por meio de um “console”, que controla o braço escravo no local remoto. Na Figura 4.7
se apresenta um tipo de manipulador Mestre-Escravo.
52
Figura 4.7 Representação de um manipulador tipo Mestre-Escravo [70].
O primeiro mecanismo mestre-escravo foi desenvolvido segundo [71] em 1945
por Raymond Goertz no Argonne National Laboratory, perto de Chicago onde Enrico
Fermi desenvolveu o primeiro reator nuclear. Eram pantógrafos mecânicos utilizados na
manipulação de materiais radioativos presentes numa “hot cell”. A sua manipulação era
realizada por um operador humano no exterior da célula. Outra aplicação da teleoperação nas aplicações nucleares foi em 1979, com o acidente na usina nuclear Three
Mile Island na Pensilvânia (EUA). Um veículo de reconhecimento remoto chamado de
RRV, desenvolvido na Carnegie Mellon University, foi utilizado para inspecionar a
estrutura dos prédios e retirar a água radioativa que vazou do reator. Câmeras instaladas
no robô transmitiam aos operadores a sensação de estarem dentro da usina [72].
4.3.2 Modelo de Telepresença
A tele-presença consiste em um refinamento da tele-operação e se torna possível,
além da tele-operação, e significa a sensação de estar em um ambiente distante do
operador. A tele-presença garante a extensão dos sentidos dos seres humanos a locais
remotos [72], podendo estes estar a metros ou milhares de quilômetros. A palavra “telepresença” é usada para designar a ligação entre o homem e um sistema robótico através
de canais sensoriais via telecomunicações. O robô recebe as informações dos
movimentos do homem e age de acordo com o estímulo, e vice-versa.
Existem três fatores importantes que determinam o sentido de presença em um
ambiente remoto segundo [73]:
•
A extensão de informação sensorial: idealmente o mesmo nível de informação
de sensor que o operador teria se ele estivesse fisicamente no ambiente remoto.
53
•
O controle do sensor: a habilidade para modificar a posição do dispositivo usado
para sentir.
•
A habilidade para modificar o ambiente remoto: podendo mudar objetos no
ambiente remoto ou a relação entre eles.
No esforço por alcançar uma alta fidelidade de comunicação entre o mestre e o
escravo, com a meta de prover um sistema transparente da interface homem-máquina,
os sistemas de tele-presença utilizam “displays” montados na cabeça, sensores de
movimento montados no corpo do operador, realimentação de força, entre outras
tecnologias. A meta final desses sistemas é fazer o operador sentir que está presente no
local de trabalho remoto, obtendo-se assim melhores condições de realização das
tarefas. O cansaço provocado no operador devido ao volume e peso do equipamento
reduz o uso desse sistema de tele-presença em utilizações práticas.
4.3.3 Modelo Professor-Aluno
Dado que o aprendizado de sistemas computacionais é uma das áreas mais
difíceis na inteligência artificial, o modelo professor-aluno define a função de professor
ao operador humano e assume que o “aluno” robô possui inteligência suficiente para
reconhecer e atuar em uma situação já aprendida, embora essas tecnologias ainda devam
ser desenvolvidas e integradas para realizar esse modelo [69].
4.3.4 Modelo Supervisor-Companheiro
De acordo com esse modelo, um robô baseado em sensores não deve
simplesmente repetir os movimentos do operador humano, como no modelo mestreescravo. Neste caso, o operador humano serve como um supervisor, ao invés de
projetar-se no ambiente remoto. Com a companhia do operador humano, o sistema
robótico incorpora capacidades computacionais, como precisão e capacidades sensoriais
para a realização das tarefas [69].
4.4 Importância da tele-operação em plataformas nucleares
54
Os danos induzidos pela radiação representam um problema de grande
importância às aplicações nucleares. O primeiro manipulador mecânico mestre-escravo
era tolerante aos danos provocados pela radiação ionizante, mas os robôs desenvolvidos
com tecnologias como circuitos eletrônicos e sensores com o processamento embarcado
são mais sensíveis à radiação. Entre as razões para o uso da tele-operação ou telerobótica têm-se:
4.4.1 Proteção dos trabalhadores
Algumas reparações e manutenções regulares em plataformas nucleares
envolvem riscos de irradiação e contaminação dos trabalhadores. A contaminação é
considerada um acidente, um fenômeno que pode ser evitado, mas a irradiação é um
fenômeno contínuo que afeta e influencia o operador na área de trabalho.
Para a segurança do trabalhador em plantas nucleares, todos os países têm leis e
normas que estabelecem o máximo da dose aceita por ano para cada trabalhador. Por
exemplo, na Espanha os limites aceitos por ano são mostrados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 Limites da dose de radiação aceita por ano para cada trabalhador exposto à radiação ionizante
na Espanha.
Partes do corpo humano
Corpo inteiro
Pele
Extremidades
Cristalino
Limites aceitos
50 mSv /ano
500 mSv /ano
500 mSv /ano
150 mSv /ano
No Brasil, conforme a Norma CNEN-NE-3.01, os limites primários anuais de
dose equivalente são apresentados na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 Limites primários anuais de dose equivalente conforme a Norma CNEN-NE-3.01.
Região
Corpo inteiro
Cristalino
Extremidades
Órgão ou tecido
Trabalhadores
50 mSv
150 mSv
500 mSv
500 mSv
Público
1 mSv
50 mSv
50 mSv
1 mSv/WT
Nos Estados Unidos, conforme a NRC (Nuclear Regulatory Commission), um
trabalhador em uma usina nuclear não pode receber mais de 50 mSv por ano de dose
55
total. Em 1987, segundo [74], indica-se que foi empregado um número maior de
trabalhadores nas usinas nucleares, sendo que o custo associado aos trabalhadores
expostos à radiação era de mais $500.000 dólares/ homem.
4.4.2
Fatores econômicos
Conforme as leis estabelecidas, quando um trabalhador já recebeu a dose limite
de radiação, o mesmo não pode executar trabalhos em áreas com radiação por um tempo
estabelecido em função da radiação recebida. Por esse motivo, as manutenções de
plantas nucleares ficam dispendiosas devido ao curto período de trabalho de cada
operador, além dos custos de aprendizagem e de treinamento para cada futuro
trabalhador, porque a manutenção periódica em plantas nucleares feita por operadores
humanos implica numa boa preparação e segurança no trabalho. Devido a estas
restrições, pode-se apreciar que as operações remotas realizadas com proteção adequada
são necessárias para muitas tarefas em usinas nucleares. Portanto é aconselhável e
obrigatório em certos casos o uso de tele-operação ou tele-robótica em plataformas
nucleares para manutenção e reparo, com o propósito de proteger o ser humano contra a
radiação.
4.5 Aplicações da Tele-operação em Ambientes Hostis
Figura 4.8 Representação esquemática das principais aplicações da tele-operação.
56
As principais aplicações da tele-operação encontram-se entre sistemas
impróprios à ação humana, como se ilustra na Figura 4.8.
Manutenção com material nuclear, inspeção em ambiente nuclear, desativação
de bombas e minas e inspeção subaquática são exemplos de ambiente com risco ao ser
humano. O ser humano pode afetar o ambiente adversamente, por exemplo, em
aplicações médicas e ambientes de componentes eletrônicos estéreis. Existem também
ambientes onde é impossível a presença humana como, por exemplo, em nano-robótica
e no espaço cósmico. Na maioria destas áreas, a presença humana de modo remoto
ainda é necessária em diversas situações, porque mesmo com uma tecnologia avançado
em tal ambiente complexo, a autonomia e a inteligência dos robôs não são suficientes.
4.6 Protótipo do Projeto
O sistema de tele-operação permite que o usuário atue no ambiente remoto o
sistema robótico móvel, através da interface gráfica configurada em um computador
localizado em uma área protegida de radiação. Na Figura 4.9, é apresentado o
funcionamento básico do sistema, e posteriormente, nos capítulos seguintes, será
apresentada em detalhes todos os módulos do sistema de interface gráfica.
Figura 4.9 Representação esquemática da interface e dos módulos do projeto.
Nesse projeto será utilizado no ambiente local um computador para enviar os
comandos de movimento para o sistema robótico remoto situado no ambiente remoto. O
operador enviará os comandos através de uma interface gráfica feita em linguagem de
programação Borland C++ Builder. A interface dispõe de botões: “Frente”, “Atrás”,
57
“Direita”, “Esquerda”, equivalentes ao tipo de movimento do veículo remoto,
respectivamente: movimento para frente, trás, direita e esquerda. Os comandos de
movimento enviados através da interface gráfica são transmitidos do software para o
sistema físico usando a porta paralela do computador. Na porta paralela é conectado um
módulo de rádio freqüência RT4-RR3 com o propósito de enviar os dados via ondas de
rádio. Assim não existirão restrições no movimento causadas por fios ou cabos, mas
também existe a desvantagem de perda de sinal. O ambiente remoto será observado
usando uma câmera de vídeo que envia o sinal de vídeo, que será visualizado na
interface gráfica. Para visualizar esse sinal de vídeo, a interface dispõe de um botão
Start Vídeo para começar visualizar o vídeo e um botão Stop Vídeo para parar a
visualização do vídeo. O subsistema de tele-operação permite que o usuário atue no
ambiente remoto, através da movimentação do robô móvel. No próximo capítulo são
apresentadas noções gerais sobre a interface gráfica e a implementação da interface em
linguagem C++ Builder, para esse projeto.
58
5 INTERFACE GRÁFICA DO USUÁRIO
Com a introdução da tecnologia de tele-operação usando o computador com
objetivo de enviar comandos para sistema remoto foi possível o desenvolvimento de
interfaces capazes de fornecer uma interação satisfatória entre homem e máquina,
permitindo que novas aplicações possam ser realizadas. Nesse capítulo será apresentada
a noção de interface gráfica devido a utilização da mesma com o objetivo de realizar
tele-operação via computador e como uma ligação entre operador e veículo.
5.1 Importância da Interface
A interface homem-máquina é um elemento imprescindível para a aceitação de
um sistema interativo pelo usuário. O usuário muitas vezes prefere um sistema com uma
interface “agradável” a uma que ofereça maior funcionalidade ou desempenho às custas
de uma interface mais pobre, uma vez que a eficiência do usuário é influenciada pela
interface [76].
A aproximação entre operador e veículo remoto ou máquina e a comunicação
entre os mesmos se realiza através de um sistema que é capaz de traduzir os comandos
gerados pelo operador para o sistema remoto e também deve ser capaz de transmitir o
feedback do sistema remoto para o operador humano. Esse sistema é denominado
interface. O sucesso da operação do sistema remoto depende muito do modo de
representação do ambiente remoto para o usuário e das informações sobre o próprio
sistema remoto enviado através da interface para o operador. A complexidade da
interface cresce em função do numero e do tipo de informação que é trocada entre
computador e operador.
Em ação de tele-operação usando o computador para enviar os comandos, o
homem precisa se comunicar com a máquina. A interação é promovida pela interface
projetada e apresentada em um software que abre o sistema para o usuário. Então, a
interface para a interação homem-máquina depende de “para quem” a interface foi
projetada e “para que” é usada, ou seja, no processo de escolha, análise e modelagem de
uma interface, é necessário que se tenha em mente os tipos de usuários que utilizarão a
interface e o objetivo que se quer atingir.
59
5.1.1 Definição de interface
O termo interface vem do inglês Human-Computer Interface e tem várias
alternativas como: Interface Homem-Computador (IHC) ou Interação HomemComputador [77]:
1. CHI (computer human interaction/ interação homem-computador)
2. UCD (user center design/ design centrado no usuário)
3. MMI (man-machine interface/ interface homem-máquina)
4. HMI (human-machine interface/ interface humano-máquina)
5. OMI (operator-machine interface/ interface operador-máquina)
6. UID (user interface design/ design de interface do usuário)
7. HF (human-factors/ fatores humanos).
A noção de interface é definida como “uma superfície de contato, de tradução, de
articulação entre dois espaços, duas espécies, duas ordens de realidade diferentes: de um
código para outro, do analógico para o digital, do mecânico para o humano. Tudo aquilo
que é tradução, transformação, passagem, é da ordem da interface” [78]. Segundo
definição apresentada pela IBM, interface é “um meio através do qual as pessoas e o
computador se comunicam” [78][79].
5.1.2 Pré-requisitos da Projeção da Interface
Na projeção de uma interface as primeiras questões necessárias são [80]:
1. Quem são os usuários e como eles querem se relacionar com o sistema?
2. Que tarefas os usuários tentarão realizar no sistema a ser projetado?
3. O que eles necessitam do sistema e em que ordem para realizar suas tarefas, e
como isto deve ser organizado?
4. Quais são as condições operacionais sob as quais o sistema será usado?
5. Que aspecto a interface deve apresentar e como isso deve se comportar?
60
A partir das respostas dessas questões o projetista de interface tem uma idéia da
aparência da interface, quais são as aplicações às quais ela deve servir que tipos de
usuários terão contato com a interface e as condições de trabalho.
5.2 O Papel da Interface na Interação Homem-Máquina
A interface representa um canal de comunicação entre o operador humano e a
máquina sendo um componente importante no controle e operação do robô móvel..
Para propiciar que haja uma comunicação homem-computador, é inserida entre
ambos a interface, Figura 5.1, permitindo que o homem possa receber símbolos
inteligíveis para si, dar ordens, digitar, ler, receber resultados e o computador possa
receber informações, os dados de saída (output) e os dados de entrada (input), que lhe
sejam “inteligíveis”, impulsos elétricos, ou seja, a interface representa a interligação
entre o homem e o computador.
Figura 5.1 Representação esquemática da comunicação homem–máquina através de interface.
Como a interface homem–computador envolve dois sistemas completamente
diferentes, para se achar um fator comum entre sistema humano extremamente
complexo e computador, precisa-se de um conjunto de ciências para comunicar entre si
e achar soluções.
O processo de interação homem-máquina é realizado utilizando etapas de ação,
[81], representando as intenções de ação do operador humano com o intuito de alcançar
o objetivo proposto, pensando em uma seqüência de ações e executar posteriormente,
utilizando a interface do sistema. Por outro lado, as ações são de percepção do resultado
obtido do sistema, interpretação da mesma, e como último passo de avaliação, com o
intuito de saber se o objetivo proposto foi alcançado com sucesso. Na Figura 5.2 é
apresentado um esquema do modo de interação operador-sistema do computador.
61
Avaliação das
interpretações
Interpretação
da percepção
Percepção
SISTEMA
Objetivos
do
operador
Operador
humano
Interface
Intenção de
agir
Seqüência de
ações
Aplicação
Execução da
seqüência de
ações
Figura 5.2: Representação esquemática da interação operador humano–computador.
O cérebro processa as informações, analisa os dados recém-chegados e buscam
outros na memória visando compreendê-los, reconhecê-los, interpretá-los, fazer
analogias. O intuito é de se tomar uma decisão e gerar uma resposta ao estímulo
recebido.
5.3 O Caráter Interdisciplinar da Interface
A área de Interface Homem-Computador é uma área interdisciplinar envolvendo
outras áreas como: Ciência da Computação, Psicologia Cognitiva, Engenharia, Design,
Ergonomia e Psicologia Social, como apresentam a Figura 5.3.
Figura 5.3: Representação esquemática do caráter interdisciplinar da interface.
62
Através da interface é realizado o diálogo entre a máquina e o computador, e
para esse diálogo ser “amigável” é necessário levar em consideração o fator humano, as
características dos usuários da interface antes dessa ser projetada. O conceito de
“amigável” refere-se ao fato da interface ter habilidade de reagir do modo que o usuário
espera. Os fatores humanos considerados são principalmente:
•
A percepção humana
•
O nível de habilidade do usuário
•
O comportamento humano
5.4 Planejamento de construção da interface
O mundo é percebido pelo homem através do sistema sensorial, então no
planejamento de uma interface devem ser levados em consideração, principalmente, os
sentidos visual, tátil e auditivo, além da habilidade e personalidade do usuário.
5.4.1 Influência do usuário no planejamento de projeção da interface
O impacto visual do operador humano com a interface tem uma influência muito
importante na realização da tarefa proposta a ser alcançada. Como a visão é “o órgão do
sentido mais importante que o ser humano possui, tanto para o trabalho como para a
vida diária, as suas características têm sido muito estudadas devido a sua importância no
trabalho” [78]. O ato de ver não é apenas uma atividade do olho, é a percepção das
formas e cores, através de uma atividade cerebral, denominado “sentido da visão”.
A interface deve ter a qualidade de ser facilmente entendida de maneira que o
usuário aprenda a utilizar o sistema com facilidade permitindo que ele se localize a
qualquer momento na mesma e possua conhecimento suficiente de todas as ações
permitidas e suas conseqüências, como também consiga facilmente informações
adicionais. Uma dificuldade em se desenvolver uma interface gráfica reside no fato de
que a mesma permite a manipulação direta de objetos com resposta ao usuário em
tempo real. O operador humano deseja uma reação rápida da interface quando ele envia
63
o comando, de modo que quando o operador manipular localmente os botões da interface
provocará ações concretas do equipamento ligado ao computador.
Alan Cooper, o projetista da linguagem Visual Basic, afirmou que “o design da
interface de um ambiente interativo começa com a estruturação do conteúdo e a
definição do perfil dos usuários” [82].
Ele propõe a caracterização do perfil dos usuários através das premissas:
1. Quem a usará?
2. Como a interface se consulta?
3. Como se comunicará com o usuário?
4. Como a interface será usada?
5. Como estarão integradas as informações?
6. É fácil de ser aprendida a utilização?
A projeção da interface não representa apenas as técnicas e processos usados
para desenvolver produtos utilizáveis na interface, ela também coloca o usuário no
centro do processo.
Os usuários são classificados em três diferentes estilos, segundo a [78]:
•
Usuários que interagem pela primeira vez ou novatos
•
Usuários com nível intermediário de experiência
•
Usuários com alto nível de experiência e conhecimento
Para conseguir satisfazer o pedido de cada grupo de usuários apresentados
anteriormente a interface deve ter um caráter flexível, porque as necessidades de cada
grupo são diferentes e uma situação difícil de ser resolvida pelo usuário novato pode ser
óbvia para um usuário experiente. Cada grupo de usuário gera grupos diferentes de
perguntas e então diferentes respostas e soluções em função de necessidades básicas de
cada grupo são determinadas. Essas respostas determinam o planejamento da interface,
influenciando a apresentação, estrutura e a interatividade.
5.4.2 Princípios de planejamento da interface
64
Apresentação, estrutura e interatividade da interface: De acordo com [82] a
interface de um ambiente interativo baseia-se no tripé: apresentação, estrutura e
interatividade apresentado na Figura 5.4.
Figura 5.4: Representação esquemática dos princípios de planejamento da interface.
Os três elementos do tripé: apresentação, estrutura e interatividade são
interligados e um bom funcionamento de um deles influencia nos outros dois. No
planejamento da interface leva-se em consideração o modo de apresentação da mesma
para o usuário e utilizam-se imagens (reduzindo os objetos gráficos da interface até o
extremo) para comunicar-se através do visual com um outro sistema (um hardware ou
software) utilizando códigos. Os códigos, representando um elemento do tripé, a
estrutura, são criados com o intuito de fazer o sistema reagir e então assegurar a
interatividade.
A construção da interface tendo sempre em visão a apresentação, a estrutura e a
interatividade da mesma, tem como objetivo a realização de um ambiente interativo
eficiente e sem dificuldades para o usuário atingir com facilidade e clareza os seus
objetivos na utilização da interface.
Harmonia em uma interface: Harmonia pode ser definida como uma
colocação proporcionada das partes de um todo. É determinada por linha, tamanho e
cor. “A harmonia descreve o efeito, visto ao nível do todo, da agradável interação entre
as partes” [78]. A sensação de harmonia entre duas partes integrantes de um espaço é
assegurada por uma relação chamada proporção de ouro.
65
Duas quantidades A e B (com A>B) , representadas graficamente por segmentos
A
A+ B A
= [83]
A
B
{
de reta na Figura 5.5, estão em uma proporção de ouro se :
B
Figura 5.5: Representação de um segmento de reta dividido em duas partes diferentes
Onde A pode se identificar como a maior parte do espaço total e B como a menor parte
desse espaço. Então a relação pode ser escrita na forma:
segmento total
parte maior
=
(5.1)
parte maior
parte menor
Para que um todo, dividido em partes desiguais, pareça harmonioso, é preciso
que exista, entre a parte pequena e a maior, a mesma relação que entre a grande e o todo
[78]. Geralmente a harmonia está associada à noção de simetria, mas as formas não
simétricas também possuem um equilíbrio harmonioso que se tornou conhecido por
noção de simetria dinâmica. No caso de planejamento de projeção de uma interface,
levando em consideração a harmonia, pode-se utilizar a técnica denominada simetria
dinâmica, conforme apresentado em [78]. Essa técnica é baseada na construção do
retângulo de ouro que envolve a noção de proporção de ouro, definida anteriormente.
O retângulo de ouro é o retângulo considerado retângulo-perfeito em que a razão
entre o lado maior e o lado menor é o número Φ =
1+ 5
≈ 1,68033 (número de ouro).
2
Conforme a mesma referência, a razão entre a largura e o comprimento do retângulo de
ouro foi considerada a mais agradável à visão e foi adotada no projeto da interface.
A construção do retângulo de ouro (ou dinâmico) é realizada usando um
quadrado. A diagonal do mesmo está deslizando em um dos lados, assim resultara o
“retângulo raiz de dois”. Em seguida, a diagonal desse retângulo obtida desliza e se
obtém o “retângulo raiz de três” [78][83] como se apresenta na Figura 5.6.
66
Figura 5.6 Representação do quadrado.
Ao construir um retângulo usando a proporção de ouro (o lado maior dividido
pelo menor é igual a soma dos dois lados dividida pelo lado maior), faz-se um retângulo
de ouro e, nele, descobre-se que cada vez que se retira um quadrado de um dos lados, o
retângulo que sobra tem as mesmas propriedades, ou seja, é outro retângulo de ouro.
Na Figura 5.7 é apresentado o retângulo de ouro e a divisão do mesmo em outros
retângulos de ouro, que podem representar um modelo de harmonia no caso de uma
divisão da interface na tela do computador.
8
13
1
1
2
5
3
Figura 5.7 Retângulo de ouro e as divisões dele em outros retângulos perfeitos
Na Figura 5.7 se observa que juntando untando dois quadrados unitários, (cor
vermelha), teremos um retângulo 2x1, sendo que o comprimento 2 é igual à soma dos
lados dos quadrados anteriores. De novo anexamos outro quadrado (cor amarela) com
comprimento igual a dois (sempre se escolha o maior dos lados do retângulo anterior) e
teremos um retângulo 3x2. Continuamos a anexar quadrados com lados iguais ao maior
dos comprimentos dos retângulos obtidos antes. A seqüência dos lados dos próximos
quadrados será: 3,5,8,13,... Que é a seqüência de Fibonacci.
67
A proporção de ouro, utilizada no retângulo de ouro, representa a proporção
mais agradável entre dois segmentos ou duas medidas, [83], e por essa razão foi
utilizada nesse parágrafo sobre a harmonia de uma interface.
Ergonomia: O termo ergonomia é proveniente do grego ergon (trabalho) e
nomos (leis naturais), e sua definição [78], é a ciência da configuração de trabalho
adaptada ao homem.
A ergonomia foi oficialmente reconhecida em 1949, com interesse nos
problemas de adaptação do trabalho ao homem. A mesma foi introduzida na interface na
década de setenta, através dos estudos sobre a Interação Homem Computador (HCI).
A ergonomia da interface se preocupa com os diálogos e ações através dos quais
um usuário interage com o computador e auxilia na adaptação dos sistemas de
comunicação visual, para que ocorra uma boa interação homem-computador.
Com objetivo de garantir uma boa ergonomia, os projetistas de interface se
preocupam em alcançar as seguintes metas:
1. Adaptação rápida com a interface
2. Desempenho rápido das tarefas
3. Baixo índice de erros
4. Fácil detenção da informação
5. Alto índice de satisfação do usuário
Tendo em observação as metas de assegurar uma boa ergonomia, anteriormente
mencionadas, é importante compor a interface de maneira comunicativa, funcional e
interativa, preocupando-se com as tarefas que o usuário irá realizar na mesma (desde as
mais simples, como ler), sem cometer erros ou sofrer reações adversas provenientes do
mau uso.
Usabilidade: Usabilidade é o termo utilizado para descrever a qualidade de uso de
uma interface e proporciona, segundo a [82]:
1. Facilidade de aprendizado
2. Facilidade de lembrar como realizar uma tarefa após algum tempo
3. Rapidez no desenvolvimento de uma tarefa
4. Baixo índice de erros
5. Satisfação subjetiva do usuário
68
A usabilidade é um conceito que se refere à qualidade de interação entre os
usuários e sistemas. A Norma ISO 9241-11 trata da especificação da usabilidade da
interface, [78] é apresentada na Figura 5.8.
Usuário interagindo em interface
ergonômica
Usuário interagindo em interface
com problema de usabilidade
Causas
Utilidade
Intuitividade
Facilidade de uso
Desinteresse pela lógica de
utilização
Falta de ferramentas lógicas
Conseqüências
Eficiência de uso
Satisfação
Bem estar
Produtividade
Aborrecimento
Frustrações
Estresse
Abandono do sistema
Figura 5.8 Representação da usabilidade da interface, conforme a Norma ISO 9241-11
O usuário interagindo em uma interface com boa usabilidade e ergonômica, tendo uma
facilidade de uso, eficiência e capacidade de ser intuitiva é sujeito a conseqüências de
satisfação, bem estar e boa produtividade. Por outro lado, o usuário interagindo em uma
interface com problema de usabilidade, por causa de lógica na estrutura da interface, um
grande número de erros, dificuldade de aprendizagem, lentidão entre comando enviado
pelo operador e resposta, cria aborrecimento, estresse, fadiga física ou mental e até
abandono da interface. Todas essas reações negativas para o ser humano reduzem o
ritmo da atividade, a atenção e a rapidez de raciocínio, tornando o indivíduo menos
produtivo e mais sujeito a cometer erros.
Ou seja, a interface é um meio que quando não é bem planejado e projetado
pode:
1. Frustrar e irritar
2. Dificultar a aprendizagem
3. Confundir as relações entre informações
4. Excluir possibilidades de ação efetiva instrumental ou comunicativa
69
5.4.3 Sugestões de projeto da interface
São apresentadas esquematicamente algumas sugestões para o design de uma
interface [81], pensando no fato que todas as partes integrantes do sistema operador –
interface - computador, representadas por peças de quebra-cabeças têm que se encaixar
de uma forma harmoniosa e perfeita em um só sistema. As funções da interfase gráfica
são:
SUGESTÕES DE DESIGN DE INTERFACE
Oferecer
visibilidade do
estado do
sistema
Minimizar a
carga do
trabalho
Fornecer atalhos
para usuários
experientes
(flexibilidade)
Prevenir e tratar
os erros de
forma adequada
Manter o foco da
tarefa
Estabelecer um
significado de
códigos com o
mundo real
Oferecer
controle e
liberdade para o
usuário
Permitir fácil
reversão de
ações
Oferecer ajuda e
documentação
adequada
Figura 5.9: Representação esquemática de algumas funções da interface.
Visibilidade do estado do sistema: permite que o operador humano esteja em
permanente conhecimento da evolução do sistema, cada ação do mesmo deve ter uma
resposta de retorno dessa. O usuário deve estar sempre no controle do processamento do
sistema (como interromper, cancelar, suspender e continuar).
Minimizar a carga de trabalho: As opções oferecidas pela interface devem ser
bem apresentadas, visíveis, de forma que um operador, deixando de utilizar a interface
por um determinado período de tempo, não precise começar na etapa de aprendizagem
da interface.
Oferecer controle e liberdade para o usuário: A interface deva oferecer uma
alternativa de saída para o operador, caso o mesmo chegue a uma situação indesejável,
70
um “Exit door” com o objetivo de sair do estado indesejável para o estado anterior, sem
gerar o bloqueio do sistema.
Fornecer atalhos para usuários experientes (flexibilidade): A interface deve
ter a qualidade de ser adaptável para os usuários com experiência, oferecer a
possibilidade de atalhos para os mesmos ou de personalizá-la, modificando a
funcionalidade do sistema de maneira inteligente.
Prevenir e tratar os erros de forma adequada: refere-se a fato que cada
mensagem de erro deve ser exprimida em uma linguagem bem clara, mais curta possível
apontando a causa do erro, e oferecendo uma solução construtiva de remediar o mesmo.
Permitir fácil reversão de ações: No momento em que o operador está tomando
uma decisão errada, o mesmo pode voltar à situação anterior sem dificuldade.
Manter o foco da tarefa refere-se ao fato de que a interface deve ser feita com
um objetivo claro, sem abuso de mensagens inúteis que distrai a atenção do usuário.
Estabelecer um significado de códigos com o mundo real: denomina o fato de
que os símbolos, os ícones ou outra forma de manipulação no espaço da interface,
devem seguir o sentido racional, isto é, uma representação convencional conhecida (por
exemplo, o ícone
representa Salvar e não outra coisa).
Oferecer ajuda e documentação adequada: A interface deve ter uma maneira de
ajudar o operador com facilidade, oferecendo uma documentação sobre os componentes
da interface, a função deles e o modo de acesso aos mesmos.
Todas essas componentes são interligadas, uma boa funcionalidade de um
componente é condicionada a um bom funcionamento de um ou outro, funcionando no
conjunto e todas configuram o sistema inteiro.
5.4.4 Elementos para composição da interface
Todos os elementos visuais presentes em uma interface, a partir da estrutura
criada, geram forças e tensões que permitem transmitir sensações, percebidos pelo
observador, consciente ou inconscientemente, segundo [84].
Ponto de Atenção: Em uma composição existem sempre dois centros, ou seja,
dois núcleos [85]:
Centro geométrico: criado pelo cruzamento das diagonais da tela,
71
Centro visual perceptivo: situado sempre um pouco acima do centro
geométrico, com o propósito de compensar o peso visual da base por meio de um
intervalo espacial maior.
O centro real da tela do computador não é o centro geométrico, determinado pela
interseção das diagonais. Seu centro de visão está situado em cima daquele centro
matemático, no centro ótico [79]. A diferença entre o centro geométrico e o centro ótico
é apresentada na Figura 5.10.
Figura 5.10: Representação da diferença entre centro geométrico e centro ótico.
De acordo com a mesma referência, o ponto de atenção está situado no retângulo
dado pelos pontos fortes de atenção, como se pode observar na Figura 5.11:
Pontos de atenção
Figura 5.11: Representação esquemática do retângulo da visão.
Em uma interface gráfica, cada ponto, linha ou outro elemento visual presente na
superfície tem sua função e expressão própria e pode gerar, a partir da relação com os
72
outros elementos à sua volta, uma composição. Alguns elementos estruturais, essenciais
à composição de projeto visual gráfico são: ponto, linha, formas geométricas, contorno,
direção, textura, cor, dimensão, contrastes, harmonia, agrupamento e simetria.
Elementos gráficos:
Ícones: Um ícone corresponde a um símbolo. É a representação concreta cuja
expressão é uma imagem gráfica [82]. O ícone é um elemento fácil de usar, tendo a
mesma interpretação em qualquer lugar e os ícones devem ser simples e claros para que
possam evitar a possibilidade de erros de interpretação e é bom respeitar o mesmo estilo
para todos os ícones em uma interface. Para evitar o não reconhecimento imediato de
ícones é recomendada a utilização de texto.
Textos: O texto, quando visto de uma distância, é reconhecido pelo cérebro
como um padrão. Cada palavra tem uma forma reconhecida pelo cérebro e esta é uma
das razões pela qual não é recomendada a utilização de textos completos em maiúsculas,
pois o usuário gasta mais tempo para a leitura e necessita maior concentração. As
sentenças das mensagens devem ter preferencialmente um conteúdo afirmativo positivo
do que negativo e é preferível que cada sentença contenha uma única idéia. É
recomendável utilizar tipografia Verdana (screen font), ou seja, tipografia recomendada
para textos a serem lidos em monitores. Estas fontes têm como características a
simplicidade das formas e fácil reconhecimento de cada letra, contrário à fonte itálica
que não é recomendada devido a sua má definição na tela. A utilização de fundo de tela
com texturas dificulta a leitura.
Elementos gráficos visuais: Os gráficos e as imagens podem melhorar a
estética de um ambiente interativo. Os mesmos são fortes elementos atrativos, portanto
é indicado que o usuário tenha esse tipo de elemento na interface.
Cor: A cor tem uma grande importância em uma interface. Uma inadequada
combinação de cores pode deixar o usuário sem interesse. É bem conhecida a influência
das cores sobre o psíquico dos seres humanos e uma boa combinação cria bem estar. Em
geral, recomenda-se o uso de cores com discrição, no máximo cinco cores diferentes,
incluindo o preto, o branco ou cinza e no mínimo duas cores diferentes. Assim, deve-se
projetar o design de uma interface em preto e branco, e depois adicionar a cor. A cor
aumenta o processamento cognitivo e visual de uma informação que funciona bem em
preto e branco, pois ajuda a localizar classificar e associar imagens.
73
As cores dos textos devem, preferencialmente, apresentar contraste na cor do
fundo da tela da interface. O contraste mais recomendado é o texto positivo, ou seja,
texto em preto sobre fundo branco ou cores escuras sobre fundo claro, principalmente
cores neutras.
5.5 Implementação da interface gráfica
Como já foi apresentada, a interface é o link entre o operador humano e
computador. Nesse projeto o método de controle de movimento de um veículo remoto
se realiza através de tele-operação via computador.
A razão da escolha desse tipo de operação foi explicada nos capítulos anteriores.
5.5.1 O desenvolvimento da interface
A interface foi executada em linguagem de programação C++ Builder versão 6.
O modelo da interface desenvolvido é composto de três níveis, estruturado em um modo
vertical, como se apresenta na Figura 5.12.
Figura 5.12. A representação esquemática da estrutura da interface.
74
Os níveis da estrutura da interface são:
1. O primeiro nível representa a parte de informação, com boas vindas e
apresentando o tipo de aplicação para que é desenvolvido.
2. O segundo nível representa a parte de verificação do usuário e a senha. Esta é a
parte de segurança.
3. O terceiro nível é de comandos da interface e é representada por dois submódulos: (i) um sub módulo de apresentação do veículo remoto e os
componentes integrantes. (ii) um sub-módulo dos comandos da interface com
objetos utilizados para manipulação do movimento do veículo remoto, com a
captura de vídeo da câmera, a parte que assegura a iluminação.
Os níveis que compõem a interface devem ser sucessivos passando pelo primeiro
nível até o terceiro sem ter a permissão de ignorar e saltar nenhum nível.
5.5.2 Primeiro nível, nível de informação
O programa da interface começa com uma saudação de boas vindas à utilização
da interface e apresenta também para que sirva essa aplicação: “interface de um veículo
remoto”, como se apresenta na Figura 5.13.
Figura 5.13. Apresentação da mensagem de início
Outra função desse primeiro nível da interface é encaminhar o usuário para o
passo seguinte, informando o próximo passo que deve ser seguido, o passo de
verificação. Desta maneira, o usuário sabe antes se ele tem direito de continuar a
aplicação ou não, ficando informado de que no próximo passo o programa pedirá uma
senha de verificação dos dados de acesso.
75
A mensagem exibida foi realizada utilizando uma função de mensagem de saída,
MessageBox, que tem o seguinte formato geral:
MessageBox (Nr, Mensagem,Titulo, Tipo):
Onde:
Nr. identifica se a mensagem será do tipo modal (o usuário tem que responder).
Mensagem representa o texto propriamente dito, nesse caso, “Bem vindo à
utilização da interface do veículo remoto, ROMIV !”. Título representa o título da
mensagem, nesse caso, “Informação”, apertando o botão OK, o usuário passará ao nível
dois da interface, que é representado pela verificação dos dados de acesso.
5.5.3 Segundo nível, nível de verificação:
Neste módulo foi feito com o objetivo de proteção, pois o acesso aos comandos
da interface (representados pelo modulo três) é permitido somente para os usuários que
têm conhecimento da senha de entrada. A verificação consta em introduzir o nome no
campo de Usuário e a senha nos campos correspondentes para ativar o acesso ao
terceiro módulo, como se mostra na Figura 5.14.
Figura 5.14. Apresentação da mensagem de verificação
O botão de acesso para o modulo três fica ativo somente quando os dois campos,
de Usuário e da Senha, são completos de modo correto, como se apresenta na Figura
5.15.
76
Figura 5.15 Apresentação da mensagem com o botão ativo.
5.5.4 Terceiro nível, nível de comandos da interface
Na composição desse módulo, foram utilizados os componentes: Label, Edit e
Button, como se apresenta na Figura 5.16 da janela de componentes denominada Guia
Standard.
Figura 5.16. Apresentação dos componentes Label, Edit, Button.
O texto do componente Edit é completo nos campos referentes a um modo de
“Password”, escondido da vista com objetivo de proteção, utilizando a propriedade
PasswordCar do Label. Quando o botão OK fica ativo significa que o nome do Usuário
e a Senha foram completados corretamente e assim o operador humano tem o direito e a
possibilidade de ir para ao nível três do programa: a interface dos comandos. Na Figura
5.17 é apresentado o aspecto do módulo três da interface e os dois sub módulos:
Descrição do veículo e Comandos da interface.
77
Figura 5.17. Apresentação do módulo com os comandos da interface
O módulo três do programa de interface representa o foco da implementação da
mesma. O módulo é organizado da seguinte maneira:
•
Um menu, que representa a parte explicativa dos comandos da interface.
Nota: Esse módulo é ativo somente quando o módulo denominado Comandos da
Interface é ativo.
O menu é uma componente MainMenu da Guia Standard, como se apresenta na
Figura 5.18.
Figura 5.18 Representação da imagem do MainMenu.
78
A Figura 5.19 mostra como se apresenta o programa de interface,
Figura 5.19 Apresentação do menu da interface
Dois sub módulos, representados por componente PageControl da Guia Win32,
como se apresenta na Figura 5.20.
Figura 5.20. Apresentação da imagem do componente PageControl
Na aplicação do programa esses dois sub módulos se apresentam como na
Figura 5.21
Figura 5.21. Representação da imagem dos sub módulos da interface
Em seguida serão apresentados os dois sub módulos, começando com: Descrição
do veículo.
5.5.5 Sub Módulo Descrição do veículo
Na Figura 5.22 se apresenta a imagem do sub módulo Descrição do veículo.
79
Figura 5.22. Representação da imagem do sub módulo Descrição do veículo.
“Descrição do veículo” é um componente do tipo PageControl onde são
incluídos uma imagem e um representante da componente Memo com o objetivo de
mostrar um texto explicativo referente à imagem apresentada, a imagem do veículo.
A imagem tem quatro partes ativas no sentido de que apertando em cima de
alguma terá como resultado a abertura de outra janela de explicação sobre aquela parte,
como se apresenta na Figura 5.23, no caso para a informação sobre a câmera de vídeo
utilizada.
Figura 5.23. Apresentação da imagem do módulo com informação sobre a câmera.
80
Da mesma maneira, apertando em cima da imagem, se consultam informações
sobre outras partes do veículo como a parte eletrônica, a parte interna do veículo, e
sobre a parte externa e rodas do veículo tele-operado.
5.5.6 Sub-Módulo Comandos da Interface
A Figura 5.17 apresenta a imagem do sub-módulo “Comandos da Interface”.
Na base desse módulo foi utilizado um componente do tipo PageControl, com
denominação “Comandos da Interface”.
O módulo é estruturado da seguinte forma, como se apresenta na Figura 5.24.
- uma seção para manipulação do vídeo capturado pela câmera colocada em
cima do veículo, representada pela Seção 1 da Figura 5.24.
- uma seção para o controle do movimento do veículo remoto, representada pela
Seção 2 da Figura 5.24.
- uma seção de anotação de texto, representada pela Seção 3 da Figura 5.24.
- uma seção responsável pela iluminação, representada pela Seção 4 da Figura
5.24.
- uma seção de informação sobre os botões que aparecem em cada parte superior
referida, representada pela Seção 5 da Figura 5.24.
Figura 5.24. Apresentação das seções do sub módulo “Comandos da Interface”.
81
5.5.7 Seção 1 - Manipulação do vídeo
A posição da janela de visualização do vídeo foi colocada de acordo com os
estudos teóricos efetuados sobre o assunto interface com o usuário. Portanto, o ponto
ótico é posicionado em quadrado denominado visual.
Para capturar o vídeo de um dispositivo externo, como a câmera, foram
utilizados do Guia VideoLab os componentes:
VLDS Capture: utilizado para configurar a câmera para ser reconhecida pelo
programa.
VLDS VideoLogger: utilizado para escolher o arquivo onde o vídeo será
guardado.
VLDS ImageDisplay: utilizado para mostrar o vídeo capturado na tela do
computador.
São utilizados dois botões:
Start Vídeo: com a tarefa de mostrar o vídeo no momento que o botão é
apertado.
Stop Vídeo: com a tarefa de parar a apresentação de vídeo, com o objetivo de
analisar a imagem capturada.
5.5.8 Seção 2 - Controle de movimento do veículo remoto
Essa seção é utilizada para o controle de movimento do veículo tele-operado.
São utilizados 5 botões, que são componentes da Guia Standard:
Frente: correspondente ao movimento do veículo para frente;
Atrás: correspondente ao movimento do veículo para trás;
Direita: correspondente ao movimento do veículo para direita;
Esquerda: correspondente ao movimento do veículo para esquerda;
STOP: com a tarefa de parar qualquer movimento.
5.5.9 Seção 3 - Anotação de texto
O objetivo dessa seção é escrever, guardar e abrir arquivos tipo texto. O papel da
mesma é importante durante a operação porque a qualquer momento pode surgir a
82
necessidade de anotar alguma observação sobre o espaço inspecionado ou sobre o
comportamento do veículo.
São utilizados os seguintes componentes:
- um componente Memo, da Guia Standard para anotação do texto.
- os componentes OpenDialog e SaveDialog, do Guia Dialog, como se apresenta
na Figura 5.25, com o objetivo de abrir um arquivo texto e de respectivamente salvá-lo
como um arquivo do tipo texto.
Figura 5.25. Apresentação da imagem dos componentes do Guia Dialog.
- dois botões Abrir Arquivo e Salvar Arquivo, da Guia Standard com o objetivo
de realizar os eventos de abrir e salvar.
5.5.10 Seção 4 - Iluminação
O objetivo dessa seção é assegurar a iluminação necessária durante a operação
remota. A iluminação tem um papel importante durante a operação de inspeção visual e
nesse caso é assegurada por dois dispositivos de luz dispostos dos lados direito e
esquerdo da câmera. Esses são ativados nos eventos pelos botões Luz Direita e Luz
Esquerda respectivamente, como apresentado na seção 4 na Figura 5.24.
5.5.11 Seção 5 - Informação sobre os botões
Essa seção tem o objetivo de informar o papel de cada componente de cada
seção. Como componente é utilizado um Memo da Guia Standard para apresentar a
informação no formato de texto com propriedade de somente leitura (ReadOnly). Outro
componente é o MainMenu da Guia Standard com o objetivo de apresentar o acesso
para cada informação utilizando o formato de menu.
83
Exemplo: Apertando o item “Explicação Captura Vídeo” do menu apresentado
na Figura 5.26, será acessado o texto de informação como na Figura 5.27.
Figura 5.26 Apresentação da imagem do menu de informação
Figura 5.27. Apresentação da imagem da explicação sobre captura de vídeo
Daí por diante, apertar cada item do menu terá como conseqüência a
apresentação de um texto de informação apropriado para cada situação.
5.5.12 Seção 6 - Apresentação da hora
Nesta seção se apresenta a hora de começo da utilização da interface e a hora
atual com o objetivo de mostrar a duração da operação. A desativação da interface é
informada e realizada apertando o botão Stop Program. Como resultado do aperto do
botão, surge a janela de questionamento apresentada na Figura 5.28.
84
Figura 5.28 Apresentação da imagem da mensagem de saída do programa.
O usuário aceitando a ação de sair do programa aperta o botão Sim. Caso ele
deseje voltar ao programa, aperta Não. Para garantir uma gráfica agradável foram
utilizados outros componentes de linguagem C++ Builder que têm um papel secundar,
mas importante para uma boa organização da interface.
A interface foi desenvolvida em conformidade com as instruções teóricas
adquiridas durante o período de estudo sobre interface com o usuário.
No próximo capítulo será realizada a análise cinemática do sistema robótico com
o objetivo de observar e monitorar o seu comportamento em diversas situações (dadas
pelos diferentes valores do ângulo de direção da roda de frente e a velocidade da roda
dianteira). Pode-se dizer que a simulação da cinemática no caso de um sistema teleoperado é redundante, uma vez que o sistema é controlado visualmente, mas foi
realizada a simulação com o objetivo de observar o comportamento do sistema
virtualmente antes de construção.
85
6 ESTUDO CINEMÁTICO DO ROBÔ MÓVEL
Este capítulo aborda a modelagem matemática de um robô móvel com rodas,
com estrutura cinemática de triciclo, incluindo a descrição dos tipos de rodas,
introdução das definições relacionadas a sistema não holonômico e holonômico,
locomoção e grau de liberdade. Esse tipo de configuração foi escolhido em cima de uma
base de análises realizadas sobre os tipos de estruturas cinemáticas e explicadas no
primeiro capitulo dessa dissertação.
As razões de escolha da configuração tipo triciclo são os seguintes:
Primeiramente a simplicidade do sistema desse tipo, sendo necessários dois motores,
um para direção e outro para tração. Devido ao fato que a superfície é regular não
requer suspensão, oferece boa manobrabilidade, estabilidade no caso em que os
componentes do sistema são colocados de tal maneira que o centro de massa se
mantenha mais baixo, assim diminuindo as chances de capotar [13] [20]. Não existem
distúrbios em caso do deslocamento em linha reta dado pela diferença de velocidade das
rodas [9]. Uma única roda posicionada na frente acrescenta a capacidade de se desviar
de obstáculos.
A cinemática é o ramo da física que procura descrever o movimento por meio da
posição, velocidade e aceleração sem se preocupar com as forças que originam este
movimento. Já o modelo dinâmico relaciona as forças generalizadas provida aos
atuadores, considerando a energia aplicada ao sistema. Existem basicamente dois
problemas fundamentais a serem resolvidos na cinemática do robô. O primeiro deles
chamado problema cinemático direto e o segundo denominado problema cinemático
inverso. A cinemática direta trata de como o robô móvel se movimenta sabendo a
geometria do mesmo e a velocidade angular das rodas e a cinemática inversa tratam do
cálculo da velocidade angular das rodas e o ângulo da direção conhecendo a posição e a
velocidade angular do robô móvel [86] [87]. A cinemática dos corpos rígidos trata dos
movimentos de translação e rotação, de maneira que no movimento de translação, todas
as partes de um corpo sofrem o mesmo deslocamento linear, no movimento de rotação
as partes de um corpo descrevem trajetórias circulares cujos centros situam-se sobre
uma mesma reta (chamada de eixo de rotação). No movimento de rotação todas as
partes de um corpo sofrem o mesmo deslocamento angular.
86
De igual forma, a locomoção do robô móvel está sendo realizadas por meio das
rodas que são definidas em duas classes [88]: Rodas convencionais (fixas, orientadas no
centro e orientadas fora do centro) e rodas suecas. Na Figura 6.1 é apresentada uma
esquema dos tipos de rodas, segundo a [89] onde as rodas convencionais, cujas
velocidades no ponto de contato das rodas com o solo são iguais a zero, são divididas
em rodas fixas, para as quais, o centro da roda é um ponto fixo no chassi do robô, em
rodas orientadas no centro, onde o movimento em relação ao sistema de referência é
uma rotação em torno de um eixo vertical passando através do seu centro e, por ultimo,
as rodas orientadas fora do centro (conhecida também por denominação de castor). A
diferença entre as rodas convencionais fixas e as rodas orientadas está em um grau de
liberdade adicional, que permite uma rotação no redor do eixo vertical que passa pelo
centro da roda, permitindo a função de orientação da roda dianteira do robô [86]. A
segunda classe de rodas levada em consideração é a classe das rodas suecas nas quais
somente a componente da velocidade ao logo do movimento no ponto de contato da
roda com o solo é admitido ser nula, diferentemente das rodas convencionais onde todas
as componentes da velocidade do ponto de contato são consideradas iguais a zero, ao
longo do movimento [89]. Um outro tipo de roda levado em consideração pela [86]
[90], é a roda esférica (Figura 6.2) [90].
Figura 6.1 Representação de um esquema com tipos de rodas.
87
Figura 6.2 Representação do tipo de roda esférica.
As rodas podem ser colocadas em diversas configurações em função de a
finalidade da tarefa, condição do terreno e estabilidade. As configurações principais
levadas em consideração pelo [42] e são apresentadas na Figura 6.3.
Figura 6.3 Representação das configurações cinemáticas típicas.
6.1 Graus de Liberdade e Sistemas Não-Holonômicos
Os graus de liberdade são definidos como o numero mínimo de coordenadas
geométricas necessárias para descrever o sistema [91]. Na robótica móvel cada roda
individual contribui ao movimento do robô, mas no mesmo tempo cria restrições (um
exemplo de restrição pode ser de não existir deslizamento lateral). As rodas são levadas
88
em consideração na geometria do chassi do robô então por conseqüência as restrições
das mesmas se juntam e forma a restrição do movimento do chassi do robô. As rodas
convencionais têm dois graus de liberdade e as rodas suecas e esféricas têm três graus
de liberdade [90]. Os robôs móveis têm uma estrutura planar e são caracterizados pela
posição x, y de um ponto do robô e orientação θ do mesmo [90]. E segundo ao mesmo
autor o robô móvel não holonômico possui as seguintes características: a configuração
do robô é descrita por mais de três coordenadas (três valores são necessárias para
descrever a posição e a orientação, e as outras são necessárias para descrever a
geometria interna), o robô tem dois ou três graus de liberdade com singularidades. Um
robô móvel holonômico tem as características seguintes: (i) a configuração é descrita
por três coordenadas, (ii) a geometria interna não aparece em as equações cinemáticas,
(iii) o robô tem três graus de liberdade sem singularidades, (iv) o robô pode mudar em
um instante do tempo em uma combinação arbitraria e caracterizada por x, y e θ; e, (v) o
robô pode acelerar em um instante do tempo em qualquer direção dada por x, y e θ.
Os robôs não-holonômicos têm menos graus de liberdades do que os robôs
holonômicos e por essa razão que eles não podem efetuar alguns movimentos. O
planejamento de movimento dos robôs móveis com rodas, em geral, é objeto de
restrições de rolamento que limitam as possíveis direções do movimento. Os robôs
móveis não podem mover-se lateralmente, mas podem ir para frente ou para trás em
trajetórias curvas. Por exemplo, um veículo é não-holonômico porque embora ele possa
movimentar se fisicamente na lateral, não existe nenhum mecanismo para controlar este
movimento.
6.1.1 Locomoção
Os dispositivos de locomoção são de grande importância na caracterização de
um robô móvel e envolve o modo de deslocamento no ambiente do trabalho. A
locomoção, segundo a [86] depende dos seguintes fatores:
i) estabilidade, que depende do número e geometria dos pontos de contato, do
centro de gravidade e da inclinação do terreno,
ii) características do contato, que depende da forma e tamanho do ponto de
contato, do ângulo de contato, da fricção, e;
iii) tipo de terreno, que depende da estrutura do terreno e tipo do ambiente.
89
6.2 Estudo da configuração tipo triciclo
A seguir é realizada a descrição das características da estrutura sugerida e da
cinemática da mesma. O robô móvel estudado se desloca sobre rodas, por esse motivo o
comportamento das mesmas tem um papel importante no modelo cinemático, porém é
realizado um estudo sobre as mesmas no começo deste capítulo, e também sobre os
tipos de configurações cinemáticas com a finalidade de ser escolhida a configuração
apropriada, em conformidade com a tarefa de ser realizada. Assim, na Figura 6.4 é
mostrada a estrutura cinemática a ser estudado, que consiste em duas rodas traseiras
passivas e uma roda dianteira com a função de orientação e tração, onde (1) e (2)
representam as rodas traseiras e (3) representa a roda dianteira.
Figura 6.4 Representação da configuração de triciclo do sistema robótico estudado.
No sistema de locomoção do triciclo, a roda dianteira é de tipo convencional
orientada no centro, que é utilizada tanto para tração quanto para mudar a direção do
robô móvel. Na parte traseira do veículo se encontram duas rodas convencionais fixas.
A manobrabilidade é maior do que na configuração Ackerman (do carro), por ter
somente uma roda para direção, mas uma desvantagem dessa configuração é que por
causa de ter somente uma roda pode causar uma instabilidade nos terrenos difíceis. É
considerado que as rodas de atrás, durante o movimento, permanecem no plano
horizontal e giram em torno do seu eixo horizontal, que permanece fixo em relação ao
chassi do robô. A roda dianteira gira em torno do seu eixo horizontal, e gira também em
torno do seu eixo vertical que passa pelo centro da roda, assegurando assim a função de
orientação do robô. É considerado que o contato das rodas com o chão, se dá através de
90
um único ponto no plano, então é suposto para satisfazer o rolamento puro sem
escorregamento. Isto significa que a velocidade do ponto de contato é igual a zero. Por
tanto, as suas componentes, a velocidade paralela e a velocidade ortogonal ao plano da
roda, são iguais a zero.
Se considera que a origem do sistema de eixos robô (x, y) é posicionada no meio
do eixo traseiro e na posição inicial a mesma coincide com a origem do sistema de eixos
base (XB , YB ) do modo ilustrado na Figura 6.5.
yB
y
x
XB
A parte traseira do
veículo
A parte frontal
do veículo
Figura 6.5 Representação da posição e orientação do sistema de eixos robô.
Quando entre o sistema de eixo base e o sistema de eixo robô existe o ângulo θ
de orientação inicial, como se apresenta na Figura 6.6, a matriz de rotação tem a forma
apresentada na equação (6.1).
91
yB
yθ
x
θ
XB
Figura 6.6 Representação do ângulo de orientação θ quando sistema de eixo robô tem uma rotação na
frente de sistema de base.
R( θ ,z)=
⎡ cos θ
⎢ sen θ
⎢
⎢⎣ 0
− sen θ
cos θ
0
0⎤
0 ⎥⎥
1 ⎥⎦
(6.1)
No caso que o sistema de eixo robô e girado com o ângulo θ e transladado a
distancia XB=x e YB=y no sistema de eixo base, como e apresentado em Figura 6.7, a
transformação homogênea do ponto O, do sistema de eixo base (XB , YB ) para o ponto
A(x,y), do sistema de eixo robô (x,y) é dada pela relação da equação (6.2).
yθ
yB
x
A (x,y)
θ
y B=y
XB
O
X B=x
Figura 6.7 Representação do sistema de eixo robô qual é transladado e rodado em comparação com
sistema de eixo base.
⎡cos θ
⎢ senθ
TOA= ⎢
⎢ 0
⎢
⎣ 0
− senθ
conθ
0
0
0 x⎤
0 y ⎥⎥
1 0⎥
⎥
0 1⎦
(6.2)
92
Com a finalidade de uma melhor visualização é utilizada somente a estrutura
com rodas sem o corpo do veículo (Figura 6.8).
yB
yB
y
y
θ
x
x
A(x,y)
XB
θ
XB
O
Figura 6.8 Representação da estrutura do triciclo.
As coordenadas necessárias para descrever a posição do veículo são dadas de
forma seguinte, apresentada na equação (6.3).
⎡x ⎤
ς = ⎢⎢ y ⎥⎥
⎣⎢θ ⎦⎥
(6.3)
Onde (x,y) representa a posição inicial do veículo e θ representa a orientação
inicial do veículo. Quando a roda dianteira gira com um ângulo α, o robô vai mudar de
orientação θ, seguir uma trajetória curva em um instante de tempo com o centro em um
ponto denominado CIR e com a velocidade angular ωcarro(t). E esse ponto, segundo a
[92] é o Centro Instantâneo de Rotação (CIR) e representa o ponto de intersecção
instantânea entre as linhas que passam e são perpendiculares aos centros de rotação da
cada roda, como se apresenta na Figura 6.9.
93
Figura 6.9 Representação geométrica do Centro Instantâneo de Rotação.
O comportamento de movimentação de robô formalmente é o seguinte: no caso
que o robô se movimenta em uma curva, então existe um centro dessa curva em um
ponto (a um momento determinado de tempo), denominado CIR (ou Centro Instantâneo
de Curvatura, ICC). É denominado centro instantâneo, porque ele é analisado em cada
instante de tempo e a curva pode mudar em cada instante seguir então o centro dela
também. Para que o robô, com estrutura triciclo, se movimente sem deslizamento é
necessário que cada roda tenha um percurso circular em volta do ponto CIR e rodar com
uma velocidade diferente das velocidades das outras rodas que dependem da posição da
cada roda.
No caso que o raio da curva (medido ao meio do robô até ponto CIR) é R e d
representa a distância entre as rodas de atrás e da frente, de forma que é ilustrada na
Figura 6.10, então a taxa de rotação ao redor do ponto CIR é obtida de forma a seguir:
Utilizando a relação do Pitágoras no triangulo ABC de seguinte forma BC2 = AB2+AC2
= d2+R2, onde BC representa o raio de rotação, RCIR, e tem a expressão apresentada na
equação (6.4).
RCIR =
2
2
(d + R )
(6.4)
94
d
α
y
y´
x
y
yB
α
B
x´
x
A (x,y)
θ
y
90−α
90 − θ
θ
2
2
RCIR = (d + R )
θ
α
R
C
CIR y
E
X
O
CIR
CIR x
XB
Figura 6.10 Representação geométrica da posição do CIR.
Uma interpretação geométrica é que em cada instante o movimento do robô
pode ser visto como uma rotação em torno do centro instantâneo de rotação (CIR),
onde, α representa o ângulo de giro da roda frente para mudar a direção do robô, θ
representa o ângulo de orientação do robô em reporto com o sistema de eixo global, R,
representa o raio da curvatura e é a distância medida ao meio do robô até ponto do CIR
(quando o raio da curvatura, R, é mínimo, o ângulo da direção, α, é máximo; e o raio de
curvatura, R, é infinito quando o ângulo da direção α é igual a zero, nesse caso a
trajetória do robô móvel é uma reta), A (x,y) representa o ponto situado no meio das
rodas traseiras e (CIR x , CIR y ) representam as coordenadas do ponto CIR no sistema
de eixo base.
O raio da curvatura se obtém aplicando no triangulo ABC, a função tangente
para o ângulo (equação (6.5)):
tg (
π
2
−α) =
R
d
(6.5)
95
De onde resulta que o raio de curvatura R depende somente da distancia entre as
rodas traseiras até roda dianteira e de ângulo da direção α como se apresenta na equação
(6.6) e tem uma singularidade quando o ângulo α=
R = d* tg (
π
2
π
2
.
−α)
(6.6)
No sistema de eixos de base, o ponto CIR tem as coordenadas CIR
obtidas de forma que CIR
x=
x
e CIR
y
x+EC. Utilizando o triangulo AEC resulta que
EC= R * senθ e como CIR x= x+ R * senθ se pode obter a outra coordenada CIR y de
forma: CIR
y
= y- R * cos θ . Em conclusão, o ponto CIR tem as coordenadas:
(x+ R * senθ , y- R * cos θ ). No triangulo ABC utilizando a relação da equação (6.7).
cos(90 − α ) = senα =
resulta que
(d
2
+ R2
)
d
(d 2 + R 2 )
,
d
=
senα
(6.7)
No caso da configuração cinemática de tipo triciclo escolhida, a roda dianteira é
engrenada pelo motor assegurando o sistema de tração do robô móvel. A velocidade da
roda dianteira é conforme a relação da equação (6.8).
V3 =V roda 3 =
ω roda 3 * r
(6.8)
Onde, V3 representa a velocidade lineal da roda dianteira, ω roda 3 representa a
velocidade angular da roda dianteira, r representa o raio da roda dianteira. Por outro
lado, a velocidade da roda dianteira se pode escrever como a equação (6.9).
V3 = ω Carro * RCIR
(6.9)
96
Onde, ω Carro representa a velocidade angular do sistema móvel, RCIR representa
o raio de curvatura do sistema móvel, que é distancia entre ponto CIR e a roda dianteira.
Utilizando as equações (6.4) e (6.9), resulta que a velocidade lineal da roda dianteira V3
se pode escrever de forma da equação (6.10).
V3 = ω Carro *
2
2
(d + R )
(6.10)
Assim a velocidade angular do carro, ω Carro pode ser extraída da equação (6.10)
de forma da equação (6.11).
V3
ω Carro =
(d 2 + R 2 )
=
ω
*r
roda 3
(d 2 + R 2 )
(6.11)
A velocidade angular do carro ω Carro pode ser expressa em função do ângulo da
direção α da distancia d e da velocidade lineal V3 utilizando a equação (6.7) na (6.11) da
seguinte forma:
ω Carro =
ω roda 3* r
senα
* V3
d
(d 2 + R 2 )
(6.12)
A roda dianteira está engrenada do motor, nesse caso a relação entre ω Motor e
ω roda 3 é dada pela seguinte relação:
ω Motor = n* ω roda 3
(6.13)
Onde n representa o valor da caixa redução. A velocidade angular do carro varia
em tempo de forma: ω Carro ≡
V3*
dθ
dθ
=
e utilizando a relação (6.12) resulta que
dt
dt
senα
. Descompondo a velocidade da roda dianteira V3 em direção ao x e y do
d
sistema robô resulta o sistema da equação (6.14).
97
⎧
⎪V = V * cosα
3
⎪⎪ x
(
⎨Vy = 0 sem escoregamento )
⎪•
⎪θ = dθ = ω carro = V3 * senα
⎪⎩
d
dt
(6.14)
Descompondo a velocidade da roda dianteira V3 em direção ao sistema de eixo
base resulta o sistema:
⎧•
⎪ x = V3 * cosα * cosθ
⎪•
⎨ y = V3 * cosα * senθ
⎪ • dθ
senα
⎪θ =
= ω carro = V3 *
d
dt
⎩
(6.15)
6.3 Cinemática Direta
O problema cinemático direto: Sabendo os dados de entrada, como se apresenta
na Figura 6.11, os dados de saída serão encontrados utilizando cinemática direta.
Figura 6.11 Representação esquemática da cinemática direta.
As variáveis de controle (dados de entrada): Estão determinadas pelo ângulo de
giro roda frente α(t) e a velocidade angular do motor ω Motor (t). Conhecendo os dados
iniciais de posição do robô (x,y), no tempo t=0, o ângulo inicial de orientação, θ, o
ângulo da direção α e a velocidade angular do motor ω Motor , se pode calcular a posição
do robô e a orientação do mesmo em qualquer momento de tempo t>t=0. A cinemática
direta do triciclo é formulada de seguinte forma: no caso que a roda dianteira é
98
orientada com um ângulo α da direção direita representada pelo eixo que passa pela
roda dianteira, e é perpendicular por eixo traseiro, o triciclo vai rodar com uma
velocidade angular ω Carro em um ponto situado a uma distância R, na reta perpendicular
e que passa pelo eixo traseiro [93]. O problema fica reduzido para integrar as equações
do sistema (6.14). Integrando a terceira equação do sistema (6.14) resulta que:
θ (t ) = ∫ V3 (t ) *
senα (t )
dt
d
(6.16)
Calculam-se as outras integrais da forma seguinte:
t
x(t) = ∫ V3 (t) * cosα (t ) * cos θ (t ) dt
0
t
y(t) = ∫ V3 (t) * cosα (t ) * senθ (t )dt
0
(6.17)
(6.18)
Considerando que as equações (6.16) e (6.17) não podem ser integradas de
forma analítica, será aplicada uma aproximação numérica da integral utilizando o
método da regra do trapézio. Os métodos para o cálculo de integrais definidas são
agrupados em quatro como se apresenta na Figura 6.12 [94][95].
Figura 6.12 Representação esquemática dos métodos para o calculo de integrais definidas.
Método Analítico: este método consiste em se encontrar a solução analítica de:
99
b
F ( x) , F ( x) = ∫ f ( x)dx
(6.19)
a
Método Mecânico: tais métodos fazem uso de instrumentos que calculam a área
delimitada pela curva.
Método Gráfico: toma como base o desenho de y = f(x) no intervalo [a, b] que
gera uma seqüência de iterados no gráfico até que se obtenha o resultado. Estes métodos
são pouco empregados uma vez que não podem ser aplicados em sistemas
computacionais.
Método Numérico: tem grande apelo prático uma vez que podem ser embutidos
em ambientes computacionais. As situações mais freqüentes onde se torna necessário
calcular uma aproximação ao integral definido é quando a função primitiva não pode vir
expressa em termos de funções elementares ou quando a expressão da primitiva é muito
complexa ou quando a função integrada é conhecida apenas num conjunto discreto de
pontos [96]. No caso do Método Numérico existem as seguintes regras de integração:
Fórmulas Newton - Cotes, Fórmulas de Gauss, Fórmulas baseadas nos métodos de
extrapolação do limite [95].
As Fórmulas Newtonianas são de aplicação mais simples quando temos a
expressão de f(x) ou quando obtemos uma tabela de pontos dados experimentalmente.
As fórmulas dadas pela interpolação de f(x) por polinômios de grau um, dois ou n
podem ser aplicadas no intervalo [a, b] constituindo regras simples, ou em subdivisões
[ xi , xi +1 ] do intervalo [a, b] formando regras compostas [95][97]. As Fórmulas Newton Cotes são os seguintes: Regra do retângulo, Regra do trapézio e Regra do Simpson.
O método numérico de aproximação do valor da integral definido F ( x) ,
b
F ( x) = ∫ f ( x)dx é baseado na substituição da função f ( x) por polinômio interpolador
a
b
p n ( x) de grau n e posteriormente aproximar-se F ( x) por
∫p
n
( x)dx [96]. Na regra dos
a
retângulos utiliza-se um polinômio interpolador de grau zero, na regra dos trapézios um
polinômio de grau um, e um polinômio de grau dois na regra de Simpson.
No caso da Regra do Trapézio estes pontos estão dispersos de forma simétrica,
igualmente espaçada, e com um número finito de pontos, num intervalo [a, b]. Nesta
100
regra, a função f ( x) a ser integrada será aproximada por um polinômio de interpolação
de ordem um, p1 ( x) como se apresenta na Figura 6.13 quando as extremidades do
intervalo [ x0 , x1 ] são x0 =a e x1 =b.
Figura 6.13 Representação esquemática da função f ( x ) que será integrada por polinômio de
interpolação p1 ( x ) .
Portanto, necessita-se de dois pontos para a interpolação, dois pontos
fundamentais x0 =a e x1 =b. Esses pontos serão utilizados para determinar o polinômio
de primeiro grau, p1 ( x) que representa uma linha reta de aproximação cortando f ( x)
em dois pontos. Tem-se a expressão:
b
b
a
a
∫ f ( x)dx ≈ ∫ p ( x)dx
1
(6.20)
A partir da expressão do polinômio de primeiro grau, p1 ( x) , que representa em
fato a expressão de uma linha reta que passa pelos pontos [ a, f (a ) ] e [ b, f (b) ], da
seguinte forma [95]:
af (b) − bf (a )
⎡ f (a) − f (b) ⎤
p1 ( x) = ⎢
x+
⎥
a−b
a−b
⎣
⎦
(6.21)
Resultando que:
101
p1 ( x) = f (a)
x−b
a−x
+ f (b)
a−b
a−b
(6.22)
Utilizando a aproximação lineal p1 ( x) da função f ( x) resulta que:
b
∫
a
b
b
a
a
f ( x)dx ≈ ∫ p1 ( x)dx = ∫ ( f (a )
b−a
x−b
a−x
[ f (a) + f (b)] (6.23)
)dx =
+ f (b)
2
a−b
a−b
Para melhorar o resultado, pode-se subdividir o intervalo [a,b] de integração em
n subintervalos [ xi , xi +1 ] de dimensão h, onde cada um deles se aproxima de f ( x) por
uma reta. Aplicando a regra do trapézio em cada sub-intervalo tem-se a regra do
trapézio composta (Figura 6.14):
Figura 6.14 Representação esquemática da divisão do intervalo [a,b] em subintervalos de dimensão h.
Aplicando a Regra do Trapézio a cada subintervalo [ xi , xi +1 ] e sabendo que os
pontos xi = x 0 + i ∗ h são igualmente espaçados de distancia h. No caso em que o
intervalo [a, b] está dividido em n subintervalos, h =
b−a
e tem-se para a aproximação
n
da integral a expressão:
102
Resultando em:
Utilizando uma ferramenta computacional Matlab para os cálculos das integrais
usando a regra do Trapézio composta, tem se os gráficos para cada caso.
Caso 1: Velocidade constante e ângulo da direção α = o. Nesse caso, o robô vai
seguir uma trajetória reta porque a direção se manter constante com a variação do
tempo, como se apresenta na Figura 6.15.
y
y
x
t0
x
t1
Trajetória
y
y
x
x
t2
tn
tempo
Figura 6.15 Representação da trajetória em linha reta quando a direção se manter constante a variação do
tempo.
As variáveis utilizadas no programa são: vs = 0,5 (velocidade constante da roda
dianteira com valor igual a 0,5), alpha= 0 (ângulo da direção dado pela roda dianteira).
A trajetória resulta na Figura 6.16, compondo a variável x e y em cada instante do
tempo t0, t1,..., tn.utilizando a regra do trapézio.
103
Figura 6.16 Representação da trajetória quando a velocidade é constante e o ângulo da direção igual a
zero.
Na Figura 6.17 é apresentada a variação das variáveis: velocidade da roda
dianteira vs=0,5 e o ângulo da direção alpha=0.
Figura 6.17 Representação da variação da velocidade da roda dianteira e o ângulo da direção alpha
Na Figura 6.18 é apresentada a variação das variáveis de posição x, y e a
orientação do robô dado pela função theta. As variáveis x, y e theta são obtidas
integrando o sistema:
104
⎧•
⎪ x = V3 * cosα * cosθ
⎪•
⎨ y = V3 * cosα * senθ
⎪ • dθ
senα
⎪θ =
= ω carro = V3 *
d
dt
⎩
(6.24)
•
Onde, Alpha=0 e vs=0,5 ⇒ θ = 0 ⇒ θ = constante.
Figura 6.18 Representação da variação das variáveis de posição x,y e a orientação do robô.
Caso2: Velocidade constante e ângulo da direção α =
π
6
. Nesse caso, o robô vai
seguir uma trajetória circular, pois a direção se mantém constante igual a um ângulo de
30 graus com a variação do tempo, como mostra a Figura 6.19.
105
y
vs
Trajetória
y
y
x
α
vs
y
α
x
x
α
vs
x
α
vs
Figura 6.19 Representação da trajetória circular quando a direção se mantiver constante igual a um ângulo
de 30 graus com a variação do tempo.
As variáveis utilizadas no programa são: vs = 0,5 (velocidade constante da roda
dianteira com valor igual a 0,5), alpha=
π
6
(ângulo da direção dado pela roda dianteira).
A trajetória resultante está dada pela Figura 6.20, compondo da variável x e y em cada
instante do tempo t0, t1,...,tn, utilizando a regra do trapézio.
Figura 6.20 Representação da trajetória com uma velocidade constante e o ângulo da direção constante
igual a 30 graus.
Nas Figura 6.21 e Figura 6.22, são mostradas a variação das variáveis:
velocidade da roda dianteira vs=0,5 e o ângulo da direção, para valores de Alpha=
π
6
e
•
vs=0,5 ⇒ θ = constante ⇒ θ é uma equação linear.
106
Figura 6.21 Representação da mudança das variáveis: velocidade da roda dianteira e ângulo da direção
Alpha=
π
6
.
Figura 6.22 Representação da mudança das variáveis.
Caso 3: Velocidade vs=0,01*t (acelerando) e ângulo da direção alpha =0,1*sen
(.4*t) (movimentando a roda dianteira para direita -esquerda). Nesse caso, o robô vai
seguir uma trajetória senoidal, como se amostra na Figura 6.23.
107
Figura 6.23 Representação da variação das variáveis.
A velocidade está crescendo em um modo linear e a direção dada pela função
alpha é de forma senoidal, como se apresenta na Figura 6.24.
Figura 6.24 Representação das variáveis.
Nesse caso depois a integração do sistema (1), a variável x tem um crescimento
parabólico, como se apresenta no Figura 6.25.
108
Figura 6.25 Representação da variação das variáveis.
109
7 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Na presente pesquisa pode ser levada em consideração que, para o projeto de
sistemas robóticos móveis para ambientes hostis (efetuar tarefas em uma área com
radiação ionizante) diversos estudos devem ser realizados na escolha dos materiais com
a capacidade de resistir tempo prolongado, sem estragos profundos devido à ação das
radiações ionizantes.
Neste trabalho foi realizada uma pesquisa sobre um tipo de locomoção utilizada
para o sistema robótico estudado, com a finalidade de efetuar tarefas de inspeção visual
foi sugerido o tipo de locomoção através de rodas. Devido às análises sobre o tipo de
configuração cinemática, a mesma foi eleita de tipo triciclo, decisão influenciada pela
vantagem de controle e manobrabilidade, ficando sempre a vista o tipo de terreno e o
objetivo da tarefa.
A necessidade de inspeção aliada as condições hostis em um ambiente com
radiação ionizante explicita a necessidade da tele-operação para a proteção do operador
e melhoria da sua qualidade de vida. Assim que no presente trabalho foi projetado e
construído um sistema de interface gráfica iterativa que permite a tele-presença do
usuário no ambiente remoto, eliminando o risco de contaminação do operador humano.
Neste projeto foi utilizada a concepção de comunicação sem fios (wireless),
possibilitando por um lado o envio de comandos do usuário para a máquina e da
imagem coletada no ambiente remoto no sentido inverso.
O estudo deste tipo de sistemas em ambientes hostis gera uma necessidade de
pesquisas e trabalhos futuros nesta área. Um primeiro ponto que pode ser abordado
partindo-se dele é a implementação de novos recursos e estudos em visão artificial para
o controle do movimento do sistema. Além disso, o sistema robótico pode ser projetado
com sensores para medição de radiação transmitindo ao usuário o nível da radiação a
que está submetido o sistema, assim a interface gráfica sofrerá alterações também. O
estudo dos tipos de sensores utilizados para esses ambientes, como sensores de
proximidade que podem ser adicionados ao sistema, aliados a escolha destes deve levar
em consideração o ambiente hostil da radiação.
110
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