PT107937B

PT107937B - Robô móvel de serviço com capacidade de recolha de amostras de solo e biológicas para monitorização ambiental

Info

Publication number: PT107937B
Application number: PT107937A
Authority: PT
Inventors: Miguel Bentes Moita Flores Luís; Manuel Bentes Moita Flores Nuno; Edgar Da Silva Guedes Magno; Miguel Martins Deusdado Pedro; Raquel Bento Rainho Caldeira Maria; Filipe Gomes Da Silva André; Figueiredo Santana Pedro; António Barata De Oliveira José; Antero Cardoso Marques Francisco; André Martins Mendonça Ricardo; Filipe Lopes Lourenço André; Manuel Ferreira Morais Pinto Eduardo; Alberto Gil Corisco José; Miguel Morais Portugal Luís; Marta Lopes Almeida Susana
Original assignee: Introsys - Integration For Robotic Systems - Integração De Sist Roboticos S A
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2017-08-16
Also published as: EP3200958A1; WO2016053126A1; EP3200958B1

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UM ROBÔ MÓVEL DE SERVIÇO COM CARACTERÍSTICAS TODO-O-TERRENO QUE PERMITE O SUPORTE À EXECUÇÃO DE TAREFAS NAS ÁREAS DA MONITORIZAÇÃO AMBIENTAL. O DITO ROBÔ COMPORTA UM REVESTIMENTO EM LIGAS DE ALUMÍNIO E PLÁSTICOS COM BOA RESISTÊNCIA À CORROSÃO PERMITINDO A SUA UTILIZAÇÃO EM AMBIENTES EXTERIORES PRÓXIMOS A REGIÕES DE ÁGUA SALGADA, COMO POR EXEMPLO AMBIENTES ESTUARINOS. A PLATAFORMA MECÂNICA, CORRESPONDENTE AO CONJUNTO CONSTITUÍDO PELA ESTRUTURA DE SUPORTE (14, 15, 16), BLOCOS DE TRANSMISSÃO (11), JANTES (17), PNEUS (18) E MOTORES DE PROPULSÃO (12) E DIREÇÃO (13), APRESENTA NÍVEIS DE ROBUSTEZ E MANOBRABILIDADE ADEQUADOS À NAVEGAÇÃO NÃO APENAS EM TERRENOS SÓLIDOS COMO TAMBÉM EM TERRENOS ARENOSOS OU LAMACENTOS. O ROBÔ PERMITE A RECOLHA DE AMOSTRAS DE SOLO E BIOLÓGICAS PARA POSTERIOR ANÁLISE LABORATORIAL, INCORPORANDO PARA TAL UM SISTEMA INTERMUTÁVEL CONSTITUÍDO POR UM BRAÇO ROBÓTICO ANTROPOMÓRFICO COM PELO MENOS CINCO GRAUS DE LIBERDADE (6), UM APARATO PARA RECOLHA DE AMOSTRAS DE SOLO POR PERFURAÇÃO (5) E UM APARATO PARA RECOLHA DE AMOSTRAS BIOLÓGICAS POR ARRASTO.

Description

DESCRIÇÃO

Robô móvel de serviço com capacidade de recolha de amostras de solo e biológicas para monitorização ambiental

Domínio técnico da invenção

A presente invenção insere-se no domínio da robótica móvel de serviço que tem por objetivo auxiliar o ser humano na realização de tarefas árduas, repetitivas, onerosas e perigosas. Esta invenção consiste num sistema robótico complexo com locomoção através de rodas e propulsão por energia elétrica. 0 robô é composto por um conjunto de aparatos, sensores, manipuladores e módulos de processamento de dados que permitem, através de algoritmos de inteligência artificial, visão computacional e controlo, percecionar o ambiente, navegar e interagir com o mesmo de forma autónoma ou tele operada. Este sistema tem como objetivo primário a recolha de amostras de solo e biológicas em ambientes estuarinos. Dada a inerente escalabilidade e capacidade de reconfiguração e reprogramação do sistema, o mesmo permite a sua aplicação em áreas como monitorização ambiental, defesa e segurança, proteção civil e transporte de bens e ferramentas.

Estado da técnica da invenção

Num contexto atual de acentuado desenvolvimento

2/31 tecnológico verifica-se um crescente interesse na utilização de mecanismos automatizados ou robotizados para auxiliar ou substituir o ser humano em tarefas específicas de elevado grau perigosidade para o mesmo.

Sendo objetivo primário o de proteger o ser humano de situações perigosas na execução das suas tarefas, existem no mercado diversos modelos de robôs móveis de serviço com capacidade de manipulação para identificar, deslocar e/ou inativar explosivos. Contudo, tais sistemas oferecem algumas limitações quando se pretende a sua utilização fora do contexto para os quais foram concebidos, ou seja, não permitem reprogramação nem navegação autónoma e não contemplam um sistema de perfuração de solo.

Outro dos objetivos na utilização de robôs prendese com a exploração de locais inóspitos e de difícil acesso. Existe portanto uma gama de robôs exploratórios cujos teatros de operações passam por locais como vulcões, minas, centrais nucleares desativadas, ou outros planetas. No entanto, dado o elevado interesse público deste tipo de sistemas, os mesmos são normalmente utilizados, geridos e financiados por entidades públicas ou governos, apresentando componentes dedicados para utilização em missões muito específicas. Como tal, não adquirem a qualidade de produto nem são passíveis de ser utilizados por entidades privadas ou civis.

A redução de custos laborais, na presente conjuntura económica, representa outro motivo de interesse

3/31 para a utilização de robôs de serviço. Este facto verificase de forma mais acentuada na área da agricultura onde robôs têm sido utilizados em tarefas como preparação de solo, pulverização de pesticidas e apanha de determinados tipos de frutos hortícolas. Contudo, não existe nenhum que permita a recolha isolada de amostras de solos em áreas continentais, ou explorar ambientes estuarinos recolhendo aí matrizes de interesse no campo da monitorização de materiais contaminantes (metais pesados, radionuclidos, etc) . As ferramentas convencionais para recolha e amostragem de solos e sedimentos, são atuadas pela mão humana direta ou indiretamente. Tal é o caso das dragas de arrasto para colheita de sedimentos estuarinos superficiais, ou dos colhedores Auger manuais para extração de colunas cilíndricas (cores) de solos ou sedimentos até determinada profundidade, ou os colhedores Auger de percussão com motor auxiliar, usados na extração de cores de solos em áreas continentais. 0 mesmo se poderá dizer sobre os dispositivos de colheita de organismos habitando as camadas sedimentares estuarinas, como os bivalves, assim como estruturas vegetais associadas a este tipo de ambiente, como são as ervas marinhas. Na presente invenção, o sistema permite controlo autónomo de todo o processo de colheita deste materiais, sem necessidade da presença do ser humano no local de recolha.

documento de patente US4412293 refere um sistema que utiliza um braço robótico antropomórfico para recolher peças cilíndricas não orientadas em contentores. Acrescentase que o documento de patente US20070145650 descreve um

4/31 sistema e método que utiliza um mesmo braço robótico para agarrar e transportar sondas cilíndricas para recolha de amostras de concentrado utilizado em processos de fundição de metal. Estes processos requerem contudo que o braço se encontre fixo a uma estrutura estática e não a um robô móvel.

documento de patente EP1292517 descreve a utilização de um braço móvel para recolha de objetos em contentores. No entanto, este apenas se pode mover longitudinalmente ao longo de uma estrutura que por sua vez estará fixa ao solo. A presente invenção integra esta capacidade de manipulação num sistema móvel capaz de se deslocar em qualquer direção e sobre terreno não planar, o que implica ajustes constantes nas transformações de coordenadas entre o sistema de manipulação e os objetos manipuláveis, exteriores ao mesmo.

Vários exemplos de manipuladores móveis podem ser encontrados na literatura, tais como os documentos de patente US7475745, US6113343, US8155787 e US8360178. Contudo, ao contrário da presente invenção, nenhum destes sistemas comporta a capacidade de recolha de amostras de solo seja por perfuração ou arrasto.

Como referido anteriormente, existe na literatura relatos de ferramentas automáticas para recolha de amostras de solo. Os documentos de patente US4869115 e US7216555 apresentam mecanismos para recolha de amostras na camada superficial do solo (5-10 cm) sendo portanto impossível a

5/31 catalogação por níveis de profundidade. 0 documento de patente US4043407 refere um sistema de perfuração para ser usado em solo instável, incluindo superfícies submersas, mantendo intacta a estrutura do solo amostrado. Trata-se no entanto de um mecanismo complexo com atuação pneumática o que inviabiliza a sua utilização num robô móvel com dimensão suficiente para ser facilmente transportável para os locais de operação. Os documentos de patente US3224512, US3324958, US4284150, US4316393, US4333541, US5211248, US5950741 e US6360829 apresentam também mecanismos de recolha de cores de solo individuais mas utilizam sistemas hidráulicos para permitir a perfuração o que também inviabiliza a sua utilização num robô. 0 documento de patente US5004055 refere

ainda um sistema que	utiliza	vibração	para reduzir	a
resistência do solo, mas	continua	a requerer	a utilização	de
atuadores hidráulicos.
Num formato	mais reduzido, os	documentos	de
patente US8573074 e	EP2354438	referem	mecanismos	de

amostragem de cores de solo por perfuração com atuação linear e motores elétricos. A desvantagem destes sistemas é que não contemplam um movimento de rotação do tubo de perfuração por forma a reduzir a resistência do ao solo e portanto diminuir a energia necessária para efetuar o processo de perfuração.

Os documentos de patente US5394949 e US7575069 incluem um movimento de rotação tipo parafuso ou broca o que no entanto revolve o solo perdendo-se a capacidade de catalogação por níveis de profundidade.

6/31

Alternativamente, os documentos de patente US4869115, US6766865, US7552654, US7827873 e US6016713 apresentam sistemas completos de amostragem de solo que podem ser atrelados a um pequeno trator ou outro veículo agrícola. 0 último oferece ainda algumas funcionalidades interessantes tais como georreferenciação por GPS. No entanto, tratam-se de sistemas concebidos para extração de solo arável e à superfície o que inviabiliza a sua utilidade na recolha de amostras com o propósito de análise de estratos de solo a profundidades variáveis. Para mais não contemplam um sistema de arrasto, que pode ter interesse quer na recolha de amostras do estrato superficial, tanto em solos aráveis como em sedimentos fluviais estuarinos, assim como de determinados tipos de componentes biológicos do ecossistema, tais como as ervas marinhas e alguns invertebrados que povoam as plataformas sedimentares estuarinas.

A presente invenção permite efetuar recolhas de amostras de sedimentos estuarinos solo estuarino com recurso a um sistema leve e compacto que utiliza atuação eléctrica podendo ser facilmente anexado a um robô móvel. Para além do movimento linear, o sistema associa também um movimento de rotação por forma a reduzir a resistência do solo. 0 mecanismo permite perfurar a plataforma sedimentar estuarina até uma profundidade escolhida, extraindo uma amostra cilíndrica (ou core), que ficará contida em tubos de amostragem, preferencialmente em PVC, que são inseridos e retirados da estrutura por meio de um braço robótico

7/31 instalado no robô.

Relativamente à recolha de amostras biológicas com a tipologia a que este sistema se vai dedicar (materiais fixos em substrato sedimentar pouco compacto), existem dragas que utilizam sucção, como por exemplo o apresentado no documento de patente US7721472, corte ou raspagem, como por exemplo os apresentados nos documentos de patente US3521386, US3608217 e US7334358, ou uma combinação dos dois, como por exemplo o apresentado no documento de patente US4957622. As técnicas referidas são no entanto específicas para regiões submersas, não existindo referências para mecanismos automáticos de recolha de amostras biológicas por arrasto em ambiente estuarino que possam ser integrados em sistemas robóticos de superfície.

A presente invenção comporta a capacidade de incluir um aparato que permita a recolha por arrasto de amostras biológicas (ervas marinhas e bivalves). Uma das particularidades deste mecanismo, para além de capaz de ser integrado e atuado automática e autonomamente por um robô móvel de superfície, é a de permitir que os cestos ou contentores de recolha sejam introduzidos e retirados automaticamente por um braço robótico sendo que este utilizará para tal a mesma garra que utiliza para introduzir e recolher as sondas de recolha de amostras de solo no mecanismo de perfuração.

A literatura aborda ainda outras técnicas de

8/31 pesquisa por características em material de subsolo. E o exemplo do documento de patente US7254485. No entanto, este sistema e métodos abordados diferencia-se da presente invenção na medida em que as sondas utilizadas incluem todos os sensores necessários à recolha de características não recolhendo amostras de solo para posterior análise em laboratório, cujas dimensões e recursos necessários aos instrumentos de medição inviabilizam a sua utilização no exterior. Os processos de análise, como a espectrometria gama para deteção de radionuclidos ou análise multielementar (ativação neutrónica, espetrometria de massa, etc.) requerem não apenas equipamentos de exclusiva operacionalidade em instalações laboratoriais, mas também um processamento de amostras apenas concretizável com meios humanos e equipamento laboratorial específico, para secagem, homogeneização, tratamento químico quando necessário, acondicionamento para a medida, etc. Para mais, o sistema utiliza imagens aéreas publicamente disponíveis para determinar os pontos de amostragem. A presente invenção propõe utilizar também imagens aéreas, mas uma vez que o teatro de operações (tipicamente ambientes estuarinos) está submetido a processos hidrodinâmicos intensos que produzem sucessivas alterações da sua morfologia, as imagens aéreas poderão ficar desatualizadas rapidamente e induzir em erro tanto o sistema como os seus utilizadores. Por forma a contornar este problema, a presente invenção propõe a utilização de um veículo aéreo não tripulado, de dimensões reduzidas e equipado com uma câmara de alta resolução, que possa adquirir imagens aéreas do teatro de operações numa

9/31 fase preliminar à missão de recolha de amostras

Descrição da invenção

A presente invenção consiste num sistema robótico móvel com características todo-o-terreno, resistente a intempéries e salinidade e com capacidade para recolher amostras de solo e biológicas em ambientes estuarinos ou cujo solo seja instável. Este sistema robótico caracterizase não só pela funcionalidade como também pela sua robustez tanto em termos de operação em ambientes hostis como de capacidade de tração sobre solo lamacento ou instável.

sistema pode ser dividido em quatro módulos principais:

1) uma unidade móvel responsável por navegar até aos pontos de recolha;

2) um aparato de recolha de amostras de solo por perfuração que pode ser anexado à unidade móvel;

3) um aparato de recolha de amostras biológicas por arrasto que pode ser anexado à unidade móvel; e

4) uma unidade de controlo remoto responsável por comportar os mecanismos de interação interface com o utilizador e comunicar remotamente com a unidade móvel.

A unidade de recolha de amostras consiste num robô móvel terrestre composto por:

a) 4 compartimentos hermeticamente selados (14), (16), (20) e (21) que comportam a fonte de energia e todos os / 31 componentes eletrónicos responsáveis pelo funcionamento do robô;

b) 4 rodas (18) com pneus cardados de baixa resistência ao rolamento, atuadas independentemente em tração e direção e respectivas jantaes (17);

c) 1 eixo passivo (15) que permite que todas as 4 rodas se encontrem em contacto com o solo a qualquer momento, mesmo em terreno acidentado;

d) um braço robótico antropomórfico programável com pelo menos 5 graus de liberdade (6); e

e) um suporte para ferramentas de recolha de solo por perfuração ou arrasto.

O robô móvel utiliza, maioritariamente e preferencialmente, ligas de alumínio e plásticos como suporte e impermeabilização, mantendo desta forma uma elevada durabilidade e resistência à corrosão, boa condutividade térmica e peso reduzido. A sua construção e elementos de segurança são acordantes com normas comunitárias relativas aos métodos e dispositivos de segurança utilizados em máquinas e detalhados na diretiva 2006/42/EC. A sua dimensão é compacta o suficiente para permitir o seu transporte nos compartimentos de carga de carrinhas ligeiras.

O robô móvel é autónomo energeticamente, com fonte de energia incluída no próprio sistema e capaz de o manter em pleno funcionamento pela duração típica de uma missão de recolha de amostras, a qual preferencialmente é de 2 a 4 / 31 horas. 0 sistema é escalável e reconfigurável, oferecendo para tal uma gama de tensões capaz de alimentar sensores, atuadores e unidades de processamento típicos, bem como interfaces de comunicação com protocolos comuns (incluindo por exemplo, USB, Série, CAN, FireWire, Ethernet, WiFi, entre outros) .

sistema é funcional em termos de recolha de amostras de solo e biológicas, comportando para tal um sistema intermutável que permite a troca entre ferramentas de recolha adaptadas à utilização no robô, como por exemplo, uma para perfuração de solo e outra para recolha de espécies à superfície por arrasto. Um braço robótico permite a introdução e recolha de recetáculos tubulares ou hexaédricos nas ferramentas de perfuração ou arrasto, bem como nos respetivos compartimentos de armazenagem.

A ferramenta de perfuração funciona por atuação linear, com propulsão elétrica, de um elemento perfurante caracterizado por ser uma sonda capaz de conter um core de solo (figuras 10 e 11). O dito elemento perfurante contém no seu topo um sistema de encaixe automático (36), permitindo desta forma ser introduzido e retirado de forma autónoma por intermédio de um braço robótico presente na unidade móvel. Sobre o elemento perfurante é ainda induzido um movimento rotacional, com recurso a um motor elétrico por forma a reduzir a resistência do substrato solo durante o processo de perfuração.

/ 31

A ferramenta de arrasto funciona por atuação linear, com propulsão elétrica, de uma draga ou recipiente perfurado (figura 9) que será enterrado entre lcm a 5cm no solo a profundidade regulável. Uma vez em contacto com o solo, a unidade móvel executa um movimento à retaguarda permitindo que os elementos à superfície do solo passem pela draga e fiquem armazenados na mesma. A draga ou recipiente perfurado é caracterizado por um elemento hexaédrico aberto em um dos lados para entrada de solo e espécies biológicas, sendo que os restantes são perfurados por forma a filtrar as espécies de interesse. No seu topo, um encaixe especial (33) permite que a draga seja introduzida e retirada da ferramenta de arrasto de forma autónoma por intermédio de um braço robótico. Este encaixe é de tal forma que a garra (figura 13) utilizada pelo braço para agarrar os elementos perfurantes acima mencionados pode ser usada para agarrar a draga.

A unidade de controlo (figura 12) consiste numa mala de transporte contendo um computador portátil robusto, um par de joysticks configuráveis, um monitor de alto brilho, um descodificador de video sobre IP, um par de antenas de alto ganho e um comutador de elevado desempenho. Esta unidade de controlo é a responsável por permitir a interação entre o utilizador e o sistema tanto num ponto de vista de controlo como de monitoração de estado do mesmo. Os joysticks reconfiguráveis permitem ao utilizador controlar diretamente (em tele operação) os movimentos da unidade móvel, de uma câmara com controlo de movimento (se presente), ou do braço / 31 robótico. 0 monitor apresenta imagens capturadas pelas câmaras a bordo do robô por forma a permitir uma tele operação compreensiva e uma observação ampla do ambiente circundante ao robô. Estas imagens são transmitidas segundo o protocolo vídeo sobre IP, sendo que o descodificador presente na unidade de controlo converte as mesmas em formato analógico, passível de ser apresentado no monitor. 0 comutador e antenas funcionam em várias gamas de frequência e permite a transmissão de dados entre as unidades móvel e de controlo.

Anexo à unidade de controlo existe uma unidade de comando compacta e portátil que pode ser facilmente transportada pelo utilizador. Esta unidade de comando permite ao utilizador controlar diretamente e a distâncias curtas (até pelo menos lOOm) a locomoção da unidade móvel e os movimentos do braço robótico. A unidade de comando comporta um joystick analógico para controlo de movimento, seletores que permitem comutar entre modos de controlo do braço e modos de locomoção da unidade móvel, um botão de paragem de emergência e um mecanismo de homem morto que impede o envio de comandos para a unidade móvel após um período de inatividade.

Descrição detalhada da invenção

Por forma a permitir o seu funcionamento, a presente invenção comporta os seguintes componentes:

a) Pelo menos uma bateria como fonte de energia para todo / 31 o sistema;

b) Pelo menos um computador para processamento de dados sensoriais, execução de algoritmos e controlo de atuadores, comportando interfaces comuns de comunicação entre dispositivos e periféricos

c) Caso não esteja disponível no computador uma porta série, o sistema poderá incluir pelo menos uma unidade de conversão de protocolo FireWire para USB;

d) Caso não esteja disponível no computador uma porta série, o sistema poderá incluir pelo menos uma unidade de conversão de protocolo CAN para USB;

e) Pelo menos 4 portas serie para utilização por diversos sensores;

f) pelo menos 8 portas USB para utilização por diversos sensores;

g) Pelo menos um módulo de comunicações sem fios funcionando em frequência múltipla e respetivas antenas;

h) Pelo menos uma unidade de posicionamento global para localização georreferenciada no local de operação;

i) Pelo menos um sistema de medição inercial composto por giroscópios e acelerómetros por forma a permitir estimar a pose tridimensional do robô em tempo real;

j) Pelo menos um scanner laser para medição de distâncias num plano assente num suporte de inclinação variável por forma a permitir a leitura em diferentes graus de azimute para obtenção de representações tridimensionais do ambiente envolvente ao robô;

k) 0 dito suporte encontra-se ligado fisicamente a uma / 31 unidade de atuação programável capaz de alterar automaticamente e em tempo real a inclinação do dito suporte através de comandos enviados pelo computador;

l) Pelo menos um par de câmaras com obturadores sincronizáveis para permitir a captura de imagens em estereoscopia;

m) Pelo menos uma câmara de alta resolução capaz de obter imagens panorâmicas ou em qualquer orientação por forma a permitir a visualização remota da envolvente do robô;

n) Pelo menos um dispositivo de visualização, preferencialmente um monitor acessível pelo exterior do robô que permita visualizar informação relevante acerca do estado atual do sistema;

o) Pelo menos um dispositivo portátil de comando sem fios cujas funcionalidades permitam controlar movimentos básicos do robô por parte de um operador até uma distância de pelo menos 100 metros;

p) Uma unidade de controlo remoto sem fios que permita controlar todas as funcionalidades do sistema, bem como monitorizar o estado do mesmo.

q) A dita unidade de controlo comporta um computador que a) executa uma interface gráfica para o utilizador, b) recebe e interpreta comandos de movimento provenientes de interfaces fisicas manuais (por exemplo joysticks) e visuais (por exemplo interpretação de gestos).

O módulo de recolha de amostras divide-se em três componentes principais:

• um aparato de perfuração;

/ 31 • um aparato de arrasto; e • um braço robótico.

aparato de perfuração é constituído por uma estrutura de suporte, mesa e guias lineares e motores elétricos. 0 seu funcionamento consiste no deslocamento vertical de um elemento denominado por carruagem através de um fuso, auxiliado por guias colocadas paralelamente. A carruagem, por seu lado, comporta um outro motor e um sistema de engate rápido, responsável pelo encaixe do recetáculo tubular e movimento rotativo. 0 seu funcionamento é semelhante a um comum perfurador manual onde o movimento vertical é garantido por um outro motor. A perfuração do solo ocorre por aplicação de dois tipos de força sobre o recetáculo tubular: vertical e rotacional. A primeira é possibilitada pela utilização de um motor elétrico acoplado à mesa linear acima referida. Esta, por seu lado, é responsável por garantir a verticalidade da força aplicada e a redução do dispêndio de energia. 0 movimento circular provem do motor elétrico montado na carruagem. A combinação dos dois tipos de movimentos garante a eficiente recolha, em profundidade, de amostras.

aparato de arrasto é constituído por uma estrutura de suporte, mesa e guias lineares e um motor elétrico. 0 seu funcionamento consiste no deslocamento vertical de um elemento denominado por carruagem através de um fuso, auxiliado por guias, reforçadas, colocadas paralelamente. Estas por sua vez suportam, através de / 31 múltiplos patins, a estrutura responsável por transportar os recetáculos hexaédricos ate ao nível do solo. 0 arrasto para recolha de espécies de interesses ocorre, apos contacto do recetáculo com o solo, por deslocamento da plataforma robótica. 0 contacto com o solo é conseguido pelo motor elétrico acoplado à mesa linear referida, o deslocamento da plataforma é obtido pelos motores de locomoção.

seu funcionamento consiste no deslocamento vertical de pelo menos dois elementos denominados de patins através de duas guias colocadas paralelamente. Estes por sua vez suportam a estrutura responsável por transportar os receptaculos hexaédricos ate ao nível do solo. Os diversos patins suportam e deslocam a estrutura onde os recetáculos hexaédricos são colocados aquando do arrasto.

braço robótico permite o transporte de elementos perfurantes (sondas) e contentores de amostras entre os seus locais de armazenagem e as ferramentas de perfuração ou arrasto. Um módulo de software permite definir e calcular as trajetórias necessárias entre os locais tendo em conta que:

• os contentores devem ser transportados de forma a reduzir o risco de perda de amostras ou queda dos elementos;

• os pontos de introdução e retirada dos contentores dos elementos de encaixe devem respeitar as margens máximas por forma a eliminar o risco de dano de material;

• as trajetórias devem ser calculadas livres de / 31 colisão, caso uma trajetória não seja possível sem colisão, deve ser abortada e recalculadas alternativas ou reposicionada a unidade móvel até obter uma trajetória possível livre de colisão; e • as trajetórias devem ser calculadas individualmente, em tempo de execução e segundo referenciais locais relativos aos pontos de fim e não relativos as um referencial global comum, uma vez que, dada a dinâmica da própria unidade móvel e do solo os pontos de fim de trajéctoria podem variar em relação à base do braço robótico.

módulo de software utiliza interfaces de comunicação comuns a todo o sistema. As trajetórias são calculadas automaticamente, em tempo de execução. A deteção de colisão é realizada com recurso a uma grelha de ocupação que guarda e atualiza a estrutura física e pose do robô em tempo real. Os comandos de movimento dos motores são executados tendo em conta o cálculo da cinemática do mesmo.

Os pontos de início e fim de trajetória são pré-configurados pelo utilizador em fase preliminar à missão.

A unidade de controlo é responsável por permitir a um utilizador operar o sistema remotamente. A unidade de controlo consiste numa mala de transporte robusta contendo computador portátil resistente a ambientes de exterior, um par de joysticks configuráveis, um monitor de alto brilho, um descodificador de vídeo sobre IP e um módulo de comunicações sem fios. Os joysticks encontram-se ligados ao / 31 computador e têm por objetivo enviar comandos de movimento para a unidade móvel, de uma câmara com controlo de movimento (se presente), ou do braço robótico. 0 estado de cada joystick é interpretado por um algoritmo em execução no computador que por sua vez traduz em comando de movimento e envia o mesmo para o respetivo módulo via uma ligação TCP/IP. 0 computador, para além de processar o estado dos joysticks, apresenta uma interface gráfica para o utilizador por forma a permitir que este faça a gestão da missão, enviando, por exemplo, comandos de alto nivel para a unidade móvel, rotas georreferenciadas, faça alterações e reconfigurações do sistema em tempo de execução, ou verifique o estado atual do sistema. Uma descrição mais detalhada da interface gráfica será apresentada mais abaixo no documento. 0 monitor apresenta imagens capturadas pelas câmaras a bordo do robô por forma a permitir uma tele operação abrangente e uma observação ampla do ambiente circundante ao robô. Estas imagens são transmitidas segundo o protocolo video sobre IP, sendo que o descodificador presente na unidade de controlo converte as mesmas em formato analógico, passivel de ser apresentado no monitor. 0 módulo de comunicações sem fios permite a transmissão de dados entre as unidades móvel e de controlo.

módulo de controlo permite atuar nos motores do sistema por forma a realizar os movimentos necessários à execução das funções especificas dos restantes módulos do sistema. Este módulo divide-se em duas camadas principais: uma camada de abstracção de hardware e uma camada lógica. A / 31 camada de abstração de hardware contém um conjunto de controladores de dispositivos que têm por objetivo permitir a interação entre os módulos de software e os componentes físicos do sistema. No caso do controlo de locomoção e atuação, estes controladores de dispositivo implementam o protocolo CANOpen (DS-402) reconhecível pelos controladores de motores usados na unidade móvel, fornecendo um conjunto de funções que permitem, por exemplo ler e controlar a posição, velocidade e torque de cada motor, comutar entre modos de controlo, reconfigurar parâmetros internos e limites de operação, etc. A camada lógica consiste num conjunto de processos computacionais que permitem interpretar comandos de alto nível (por exemplo, deslocar a unidade móvel, 25m a 0.7m/s) em ordens para cada motor individualmente (por exemplo, mover motor #1 a 5600rpm). Para tal, esta camada inclui o cálculo de cinemáticas tendo em conta a geometria do robô e posicionamento dos motores.

Esta camada inclui também o cálculo da cinemática inversa que permite a partir do estado atual de cada motor inferir a deslocação do robô num determinado intervalo de tempo (odometria). Adicionalmente, esta camada é responsável por garantir que todos os comandos enviados para os componentes físicos se encontram dentro de limites de operação e segurança, bem como fornecer dados acerca do estado do hardware, incluindo mensagens de erro e diagnóstico. A implementação de todo o sistema de controlo foi feita em compatibilidade com a framework ROS (Robot Operating System). Esta estratégia de implementação permite ter um sistema escalável utilizando uma arquitetura modular (em / 31 grafo) com processos distintos a serem executados em paralelo e interagindo entre si por intermédio de protocolos comuns, neste caso TCP/IP.

módulo de comunicações implementa uma estratégia robusta de transmissão de dados sem fios em ambientes de exterior. Este módulo é composto por um encaminhador de alto desempenho ligado a um comutador que por sua vez cria uma rede local na unidade móvel na qual se ligam os diversos componentes de hardware a bordo do robô. 0 encaminhador faz a ligação entre esta rede local e a unidade de controlo remoto através de duas antenas de alto ganho com capacidade de transmissão em duas gamas de frequência distintas (2.4GHz e 5GHz). Este sistema dual permite aumentar a robustez das comunicações, aumentado a capacidade e velocidade de transmissão e reduzindo a suscetibilidade às interferências.

De seguida são descritas as funcionalidades da presente invenção:

Controlo de tele operação módulo de tele operação permite controlar a locomoção e funcionalidades remotamente por intermédio da unidade de controlo. Este módulo divide-se em duas camadas principais: camada de interação homem-máquina e camada lógica. A camada de interação homem-máquina é composta por um conjunto de componentes físicos e de software que permitem ao sistema interagir diretamente com o utilizador e vice22 / 31 versa. Estes dispositivos físicos incluem:

1) um conjunto de joysticks para controlo direto de movimentos;

2) um circuito fechado de vídeo composto por câmaras a bordo da unidade móvel e um monitor na unidade de controlo permitindo ao utilizador observar o ambiente circundante ao robô;

3) uma câmara panorâmica ou com capacidade de movimento a 360° cujas imagens são transmitidas para um dispositivo de realidade virtual (HMD) permitindo ao utilizador ter uma perceção imersiva do ambiente circundante ao robô bem como focar a observação em detalhes específicos do ambiente;

4) um dispositivo portátil compacto para controlo de curto alcance dos movimentos do robô;

5) uma câmara com perceção tridimensional que permite ao utilizador interagir com o sistema por intermédio de gestos; e

6) uma interface gráfica intuitiva que permite aceder a todas as funcionalidades do sistema e monitorar o estado do mesmo.

A camada lógica prende-se com a interpretação e conversão dos dados adquiridos pela interface em funções reconhecíveis pelo sistema e com o tratamento e filtragem dos comandos por forma a garantir que estes são passíveis de serem executados com a configuração atual do sistema e em segurança. A parte lógica faz ainda a recolha e agregação de todas as variáveis de estado do sistema e mensagens de / 31 diagnóstico por forma a ter acesso a informação pertinente de forma legível e objetiva. A camada lógica inclui ainda um módulo de interpretação de gestos cujo objetivo será dar ao utilizador a funcionalidade de controlo por intermédio de gestos naturais e intuitivos. 0 módulo de interpretação de gestos utiliza imagens capturadas por uma câmara com sensor de profundidade capaz de fornecer representações tridimensionais do ambiente.

processo de interpretação pode ser descrito da seguinte forma:

i. após uma filtragem de dados sensoriais incoerentes ou irrealistas;

ii. o algoritmo procede à identificação da mão e respetivos dedos no campo visual do sensor;

iii. seguimento dos mesmos ao longo do tempo; e iv. interpretação do gesto efetuado, utilizando a posição espacial dos dedos, num número N de frames processadas em i), ii), e iii).

A identificação requer que o utilizador permaneça em frente ao dispositivo, num intervalo de entre 0.5 a 3.0 metros e efetue um movimento inicial com a mão (acenar movendo a mão de um lado para o outro, ou clicar - deslocando a mão em direção ao sensor e novamente para trás) . Após a identificação, o sistema guarda as últimas N posições registadas podendo N ser previamente parametrizado. A utilização de um subconjunto de frames para a interpretação tem a vantagem de não só averiguar com mais robustez a / 31 posição de inicio e fim do movimento efetuado (caso tenha havido movimento) bem como eliminar falhas pontuais na deteção das pontas dos dedos. Finalmente, o histórico de posições alimenta um algoritmo interpretador de movimentos por forma a descrever gestos dinâmicos, e a imagem da mão alimenta um algoritmo interpretador de gestos estáticos. Assim será possível fazer uma combinação de gestos com movimento. 0 interpretador de gestos dinâmicos analisa a distribuição de posições do ponto correspondente à palma (centroide) da mão segmentada nas N trames registadas pelo algoritmo de identificação descrito acima. Esta distribuição é posteriormente comparada com uma lista de distribuições previamente configuradas e guardadas em memória. A comparação que obtiver uma menor diferença e que esteja abaixo de um valor T previamente definido é a considerada para determinar o gesto executado. 0 interpretador de gestos estáticos utiliza a posição relativa de cada dedo com a palma (centroide) da mão. Ambos os valores são fornecidos pelo algoritmo de identificação da mão descrito acima. Adicionalmente, é utilizada também a contagem de dedos visíveis, isto é, que se encontrem acima de uma distância euclidiana D, previamente configurada, da palma da mão. Consequentemente, os valores relativos à contagem dos dedos visíveis e das suas posições no espaço são utilizados para alimentar um descritor que identifica o gesto executado, tal como o algoritmo anterior, por comparação com uma série de descritores previamente configurados e guardados em memória. Os gestos interpretados são posteriormente utilizados para fazer mover a unidade móvel ou o braço robótico de acordo / 31 com o contexto da missão.

Deteção de obstáculos e navegação autónoma

Para navegar no ambiente entre pontos de recolha, o robô baseia-se no plano gerado pelo operador humano com o apoio das imagens aéreas. Contudo, este plano é recorrentemente inadequado dadas as variações na morfologia do terreno durante o decorrer da missão (e.g., subidas das mares), a incapacidade do operador determinar com exatidão os locais mais seguros à navegação e às falhas de registo da rota planeada através das imagens aéreas com as posições reais no terreno. Por estas razões, o sistema de navegação recorre-se de um mecanismo de navegação local que lhe permite evitar obstáculos à navegação não expectáveis. A navegação local baseia-se em representações regulares do ambiente construídas e mantidas de forma probabilística pelo robô a cada nova leitura dos seus sensores, em particular o laser e o sistema de visão binocular. Para uma atualização correta dessas mesmas representações, o robô precisa de estimar a sua localização no mundo; para tal recorre-se de um sistema de posicionamento global de precisão centimétrica (GPS-RTK), um sistema inercial (IMU) e um mecanismo para contabilizar a odometria do robô a partir do movimento e direção das quatro rodas. Todas estas fontes de informação são fundidas num estimador probabilístico da pose do robô. Sobre a representação tridimensional do ambiente é possível então estimar o custo de navegação em cada porção do terreno. 0 custo de navegação é calculado tendo em conta a presença de / 31 não água no ambiente e a presença de obstáculos atravessáveis.

Δ presença de água é determinada pela não reflexão dos raios laser emitidos para o ambiente enquanto que a presença de obstáculos é indicada através de relações geométricas entre pontos do terreno. Por exemplo, uma variação abrupta de altura do terreno indica uma protuberância de dificil escalada. Para determinar se as protuberâncias não são na verdade vegetação e, portanto, não obstáculos à navegação, o robô analisa a distribuição local da informação 3D recolhida pelos sensores e compara-a com a distribuição típica de vegetação. Com base na distribuição de obstáculos no ambiente o robô planeia então o seu trajeto em direção ao seguinte ponto de interesse de acordo com o plano gerado pelo operador. Caso esse ponto esteja inacessível o robô informa o operador e desloca-se para o próximo ponto e assim sucessivamente. 0 planeamento do trajeto é realizado tendo em conta um modelo ideal da cinemática e da morfologia do robô, pelo que apenas movimentos realizáveis são planeados.

Gestão de missão e protocolo de amostragem

A gestão de missão é realizada por um módulo de software cujo objetivo é fornecer ao utilizador uma plataforma que permite delinear os processos necessários à execução de uma missão de amostragem e monitorar o estado da mesma ao longo do tempo de execução. Para tal, este módulo / 31 de software utiliza um mapa construído por imagens aéreas do teatro de operações. 0 módulo está preparado para receber imagens aéreas disponíveis publicamente ou captadas por veículos aéreos não tripulados. Δ vantagem de se usar a última opção prende-se com a maior fiabilidade da informação pois esta será mais atual do que a fornecida pela primeira opção. Os mapas podem ser manipulados pelo utilizador, com funções como criação e edição de rotas que a unidade móvel terá de seguir, definição de pontos de amostragem e definição de pontos de interesse para auxiliar a navegação autónoma (por exemplo, obstáculos, regiões de água, etc.).

Adicionalmente aos mapas, este módulo inclui uma tabela onde é apresentada toda a informação relativa estado de cada amostra (por exemplo, se a recolha foi bem sucedida ou não, a posição GPS da recolha, a data e hora da recolha e, opcionalmente, uma imagem do local da recolha).

protocolo de amostragem, dada a amplitude da área estuarina a explorar, seguirá um procedimento de amostragem ao longo de transetos. Num mesmo ponto de amostragem sobre cada transeto recolher-se-ão 9-10 cores de sedimentos (60cm de profundidade e 6cm de diâmetro). A existência de manchas de cobertura vegetal intercaladas na paisagem do raso lodoso, sugere que se definam transetos em separado para os dois tipos morfológicos. O arrasto tangencial para recolha de ervas marinhas fazer-se-á exclusivamente nas áreas em que estas formem uma cobertura contínua, e será executado ao longo de transetos marginais, / 31 por forma a minimizar os danos causados ao prado de ervas marinhas e restantes organismo delas dependentes. A recolha de bivalves far se-á em terrenos onde a cobertura vegetal é escassa ou ausente. Para esta fase de amostragem, que envolve à partida uma incerteza não quantificável no número de indivíduos recolhidos, o limite de repetições de arrasto fica definido pelo volume carga suportado nos compartimentos de armazenamento do robot. Os primeiros ensaios no terreno, irão fornecer os dados necessários para posteriormente recalibrar o protocolo de amostragem.

Diagnóstico

A presente invenção inclui um módulo dedicado ao diagnóstico de falhas e prevenção de erros. Este módulo utiliza duas camadas principais: recolha de dados e processamento de dados. A componente de recolha está embebida nos restantes módulos de software de forma que cada processo ou aplicação fica responsável por enviar uma mensagem para o sistema, com uma cadência regular, transportando informação relativa ao seu próprio estado de operação. Esta mensagem contém no mínimo um grau de severidade que pode ir desde 0 (funcionamento normal) até 4 (falha crítica) e uma frase descritiva da origem da falha (caso exista). Adicionalmente, a mensagem poderá conter valores mensuráveis adquiridos por sensores internos (por exemplo, temperatura, consumo, frequência, etc.) por forma a auxiliar a camada de processamento e o operador na prevenção de erros ou na criação de um plano de recuperação de falhas.

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A camada de processamento recebe e interpreta as mensagens de diagnóstico acima descritas e verifica se os valores reportados se encontram dentro dos limites ideais de operação. Caso uma falha seja reportada ou algum valor se aproxime ou ultrapasse os limites, o caso é reportado para o utilizador através da interface gráfica. Esta camada pode conter ainda um conjunto de regras por forma a limitar a operação do sistema ou de algum componente específico caso seja verificada uma situação potencialmente perigosa para o funcionamento em segurança do mesmo (por exemplo, aumento excessivo de temperatura, degradação do sinal de rádio, etc.).

Descrição das figuras

A Figura 1 ilustra o robô móvel na sua configuração para recolha de amostras de solo por perfuração, a qual inclui uma câmara omnidirecional (1), um par de câmaras para estereoscopia (2), um scanner laser montado numa unidade de inclinação variável (3) , um par de antenas para comunicações em radiofrequência (4), um aparato de perfuração de solo (5), um braço robótico (6), um conjunto de sondas para recolha de solo e devidos compartimentos (7) e um monitor acessível do exterior do robô (8).

A Figura 2 ilustra o robô móvel na sua configuração para recolha de amostras biológicas por arrasto. Esta configuração distingue-se da anterior por apresentar o / 31 aparato responsável pela recolha por arrasto (9) e um conjunto de dragas e respetivos compartimentos (10).

Δ Figura 3 ilustra a plataforma base de locomoção do robô composta por dois compartimentos para baterias hermeticamente selados (14) e (16), unidos por o eixo passivo (15) . Os compartimentos servem de suporte aos blocos de transmissão (11) responsáveis pela transferência de movimento dos motores de propulsão (12) e direção (13) para as rodas (18).

A Figura 4 ilustra o detalhe dos compartimentos para os componentes eletrónicos (20) e (21), bem como a estrutura tubular responsável por suportar a cobertura exterior do robô (19).

As Figuras 5 e 6 ilustra o detalhe do aparato de perfuração de solo, composto por um motor elétrico (22) para atuação de um fuso (26) que faz movimentar um suporte (25) assente em guias lineares (23) numa estrutura tubular (24). O aparato contém ainda posicionadores (27) que permitem orientar os tubos de perfuração ao longo do seu deslocamento vertical.

As Figuras 7 e 8 ilustra o detalhe do aparato de amostragem por arrasto, composto por um motor elétrico (31) para atuação de um fuso (32) que faz movimentar um suporte (30) assente em guias lineares (29) numa estrutura tubular (28).

A Figura 9 ilustra uma draga composta por um sistema de / 31 engate rápido (33), uma rede de contenção (34) e um conjunto de dentes (35) .

As Figuras 10 e 11 ilustram uma sonda composta por um sistema de engate rápido (36), um conjunto de anéis internos (37) e um tubo exterior (38) com ponta perfurante (39).

A Figura 12 ilustra a unidade de controlo remoto portátil, composta por uma mala robusta (41) que contém uma antena para comunicações por radiofrequência (40), um monitor de alto brilho (42), um computador portátil (43) e dois j oysticks (44) .

A Figura 13 ilustra a garra anexa ao braço robótico, responsável pela captura e transporte dos tubos/sondas e dragas de recolha de amostras.

Lisboa, 04 de janeiro 2016

Claims

1. Robô móvel de serviço com capacidade de recolha de amostras de solo e biológicas para monitorização ambiental caracterizador por ser constituído por:

a) pelo menos quatro rodas (18) com pneus cardados, atuadas independentemente em tração e direção e respetivas jantes (17);

b) eixo passivo (15);

c) braço robótico (6) antropomórfico programável com pelo menos cinco graus de liberdade;

d) câmara omnidirecional (1) e pelo menos um par de câmaras estereoscopias (2);

e) pelo menos scanner laser (3);

f) um par de antenas para comunicações em radiofrequência (4) e encaminhador de alto desempenho ligado a um comutador;

g) um aparato de perfuração de solo (5) com estrutura de suporte, mesa e guias lineares;

h) um aparato de arrasto constituído por uma estrutura de suporte, mesa e guias lineares, um motor elétrico, carruagem, patins e recetáculos;

i) um conjunto de sondas para recolha de solo e devidos compartimentos (7);

j) um monitor acessível do exterior do robô (8);

k) dois compartimentos para baterias hermeticamente selados (14) (16), unidos por o eixo passivo (15) e dois compartimentos para componentes eletrónicos

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REIVINDICAÇÕES

a) pelo menos quatro rodas com pneus cardados, atuadas independentemente em tração e direção (17) e (18);

b) eixo longitudinal passivo (15);

e) pelo menos scanner laser (3);

i) um conjunto de sondas para recolha de solo e devidos compartimentos (7);

j) um monitor acessível do exterior do robô (8);

k) dois compartimentos para baterias hermeticamente selados (14) (16), unidos por um eixo rotacional passivo (15) e dois compartimentos para componentes eletrónicos (20) (21);

2/3 (20) (21) ;

l) blocos de transmissão (11) e motores de propulsão (12) ;

m) pelo menos uma bateria;

n) pelo menos 4 portas serie e pelo menos 8 portas USB;

o) unidade de posicionamento global de precisão centimétrica, sistema de medição inercial composto por giroscópios e acelerómetros e um mecanismo para contabilizar odometria;

p) pelo menos um par de câmaras com obturadores sincronizáveis e pelo menos uma câmara de alta resolução;

q) unidade de controlo remoto sem fios composta por uma mala robusta (41) que contém uma antena para comunicações por radiofrequência (40), um monitor (42), um computador portátil (43) e dois joysticks (44), um descodificador de vídeo sobre IP;

r) unidade de comando com joystick analógico para controlo de movimento, seletores e modos de locomoção da unidade móvel, um botão de paragem de emergência e um mecanismo de homem morto;

s) uma interface gráfica.

2. Robô de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir pelo menos uma unidade de conversão de protocolo FireWire para USB e incluir pelo menos uma unidade de conversão de protocolo CAN para USB.

3. Robô de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por

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1) blocos de transmissão (11) e motores de propulsão (12) ; m) pelo menos uma bateria; n) pelo menos 4 portas serie e pelo menos 8 portas USB; o) unidade de posicionamento global de precisão

centimétrica, sistema de medição inercial composto por giroscópios e acelerómetros e um mecanismo para contabilizar odometria;

s) uma interface gráfica.

3. Robô de acordo com a reivindicação 1, caracterizado

3/3 o aparato de perfuração de solo ser composto por um motor elétrico (22) para atuação de um fuso (26) que movimenta um suporte (25) assente em guias lineares (23) numa estrutura tubular (24) que suporta a cobertura exterior do robô (19); e posicionadores (27).

4. Robô de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir um aparato de amostragem composto por um motor elétrico (31) para atuação de um fuso (32) que movimenta o suporte (30) assente em guias lineares (29) numa estrutura tubular (28) .

5. Robô de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparato arrasto (9) apresentar draga composta por um sistema de engate rápido (33), uma rede de contenção (34) e um conjunto de dentes (35) e compartimentos (10) .

6. Robô de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar um elemento perfurante que consiste numa sonda composta por um sistema de engate rápido (36), um conjunto de anéis internos (37) e um tubo exterior (38) com ponta perfurante (39) e um elemento hexaédrico aberto em um dos lados e perfurado nos restantes, com engate rápido (33) no topo.

Lisboa, 04 de janeiro de 2016

3/3 por o aparato de perfuração de solo ser composto por um motor elétrico (22) para atuação de um fuso (26) que movimenta um suporte (25) assente em guias lineares (23) numa estrutura tubular (24) que suporta a cobertura exterior do robô (19); e posicionadores (27) .

4. Robô de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir um aparato de amostragem composto por um motor elétrico (31) para atuação de um fuso (32) que movimenta o suporte (30) assente em guias lineares (29) numa estrutura tubular (28).

5. Robô de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aparato arrasto (9) apresentar draga composta por um sistema de engate rápido (33) , uma rede de contenção (34) e um conjunto de dentes (35) e compartimentos (10) . 6 . Robô de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar um elemento perfurante que consiste

numa sonda composta por um sistema de engate rápido (36), um conjunto de anéis internos (37) e um tubo exterior (38) com ponta perfurante (39) e um elemento hexaédrico aberto em um dos lados e perfurado nos restantes, com engate rápido (33) no topo.