WO2014011068A2 - Veículo todo-o-terreno robotizado e autónomo - Google Patents

Veículo todo-o-terreno robotizado e autónomo Download PDF

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Pedro FIGUEIREDO SANTANA
Luís Miguel BENTES MOITA FLORES
Nuno Manuel BENTES MOITA FLORES
MAGNO Edgar DA SILVA GUEDES
Pedro Miguel MARTINS DEUSDADO
Nuno Andrade DA CRUZ HENRIQUES
Luís Miguel PARREIRA E CORREIA
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Introsys - Integration For Robotic Systems-Integração De Sistemas Robóticos, S.A.
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Abstract

A presente invenção é um robô de serviço polivalente e robusto para a execução de operações em ambientes exteriores todo-o-terreno, que tem por objectivo cumprir os requisitos necessários para suportar o desenvolvimento de aplicações reais nas áreas da vigilância de perímetros, agricultura, monitorização ambiental e outros domínios relacionados cuja incorporação de sistemas robotizados se revele uma mais-valia e tem como foco a fiabilidade da plataforma mecânica, a escalabilidade do sistema decontrolo, a flexibilidade das ferramentas de autodiagnóstico e recuperação de erros. A presente invenção apresenta uma plataforma mecânica robusta feita de materiais duráveis, com um sistema de locomoção quase omnidireccional e livre de situações de escorregamento, perfeitamente adequado para terrenos acidentados. A escalabilidade do seu sistema de controlo foi garantida com a adopção de métodos conhecidos e utilizados em robótica móvel, e a integração de mecanismos ativos de autodiagnóstico e recuperação de erros permite à presente invenção realizar tarefas de longa duração sem necessidade de intervenção por parte do operador humano.

Description

DESCRIÇÃO

VEÍCULO TODO-O-TERRENO ROBOTIZADO E AUTÓNOMO"

Campo técnico da invenção

A presente invenção insere-se na área da robótica móvel. Os robôs móveis são mais do que ferramentas simples com tarefas especificas. Devido à sua flexibilidade, estas máquinas podem operar nos mais diversos cenários, incluindo o acompanhamento e assistência a humanos, ou o suporte ao desenvolvimento e teste de modelos na área da inteligência artificial e de algoritmos de percepção e visão computacional. Para tal, a procura crescente por soluções robotizadas e móveis justifica uma necessidade inerente de sistemas versáteis e de fácil implementação, capazes de transportar toda a energia, computação e o conjunto de sensores essenciais para a execução de tarefas simples ou complexas. A presente invenção tenta colmatar, esta necessidade no que respeita a sua utilização em ambientes" exteriores, remotos e hostis. Para tal, apresenta-se como uma plataforma todo-o-terreno, robusta e versátil, para aplicação multiuso, e desenhada para lidar tanto com os requisitos exigidos por aplicações industriais, como os necessários ao suporte a equipas de investigação e desenvolvimento.

Estado da técnica da invenção

Embora as soluções robóticas concebidas atualmente para ambientes interiores apresentem já graus de desempenho robustos, existe um vasto conjunto de desafios ainda por resolver, principalmente quando se trata de ambientes exteriores e mais complexos. Nestes casos, a navegação autónoma depende muito da eficácia na detecção de obstáculos presentes no terreno e da qualidade dos dados sensoriais adquiridos, onde se incluem os problemas de localização inerentes ao cálculo da odometria. Por seu lado, a aposta em soluções mecatrónicas , cujo sistema de locomoção se adeqúe perfeitamente ao rigor do tipo de terreno considerado, pode reduzir bastante a complexidade do software relacionado com o controlo de navegação do robô. Consequentemente, a plataforma robótica deverá lidar eficazmente com as adversidades do terreno por forma a superar obstáculos sem que as rodas fiquem bloqueadas ou escorreguem frequentemente durante a execução de tarefas de longa duração. As operações em ambientes exteriores tornam- se particularmente interessantes quando se abordam temas como missões de busca e salvamento, patrulha e reconhecimento, desminagem humanitária, monitorização ambiental, ou agricultura. Todos estes cenários exigem que a plataforma robótica tenha a capacidade para navegar com estabilidade e segurança sobre terrenos acidentados e sob condições ambientais adversas.

A abordagem mais popular para resolver o problema da locomoção em ambientes não estruturados consiste na utilização de esteiras ao invés de rodas. Contudo, se por um lado, as esteiras oferecem maior área de contacto com o solo e, consequentemente, maior capacidade de tração e menor deslizamento, por outro lado, limitam a mobilidade da plataforma ao tipo de direção diferencial, o que resulta numa estimação pouco fiável da odometria e numa perda considerável de energia. Outro aspecto negativo deste tipo de locomoção deriva da tipicamente reduzida altura ao solo, o que prejudica significativamente a capacidade do robô para ultrapassar obstáculos irregulares. Outras soluções têm sido propostas, tais como robôs esféricos ou equipados com pernas. Contudo, enquanto os primeiros se revelam inadequados para terrenos acidentados, os segundos necessitam de imensa energia disponível por forma a alimentar o seu complexo sistema de controlo de equilíbrio, o que limita significativamente a autonomia energética do robô.

A presente invenção, por seu lado, contém um mecanismo de locomoção baseado em quatro rodas motrizes, desenhado por forma a reduzir a derrapagem das rodas e maximizar a potência de tração. Este mecanismo de locomoção assegura que a orientação das rodas acompanhe sempre o movimento das mesmas, enquanto permanece em contacto constante com o solo. Por forma a alcançar este desempenho e permitir um movimento quasi-omnidireccional , a presente invenção é equipada com quatro rodas controladas independentemente tanto em direção como em tração.

Adicionalmente possui um eixo 1ongitudinal passivo que permite ao robô navegar de forma compatível com terrenos irregulares, ou seja, sem perder a tração às quatro rodas.

Descrição da invenção

A arquitetura de hardware da presente invenção foi desenhada por forma a proporcionar uma solução robótica que se a :

a) rentável e durável para operações em todo-o-terreno e sob todas as condições meteorológicas - este efeito técnico é alcançado com a concepção de uma estrutura mecânica resistente a intempéries;

b) ideal para suportar sistemas de controlo baseados em inteligência artificial - este efeito técnico é alcançado com a capacidade de locomoção quasi- omnidireccional e sem situações de escorregamento, que permita optimizar o cálculo da odometria e ofereça uma pegada energética reduzida.

Destinada a operar em aplicações reais ao ar livre, a estrutura mecânica tem um papel fundamental, não só para garantir a resistência do sistema contra forças externas, mas também em proteger os componentes eléctricos e electrónicos contra as intempéries, mantendo a sua funcionalidade, fiabilidade e segurança. A estrutura mecânica foi desenhada tendo em consideração, sempre que aplicável, a diretiva 2006/42/EC. O material utilizado foi na sua quase totalidade o alumínio devido principalmente à sua resistência física e à corrosão, ao baixo peso, à flexibilidade, à condutividade térmica, à ductilidade e à favorável relação custo-benefício . Utilizando uma liga metálica deste material, algumas propriedades são reforçadas, mantendo a estrutura leve e bastante resistente. Além disso, permite a construção de um sistema completamente estanque e sem necessidade de refrigeração ativa por intermédio de ventiladores.

A estrutura mecânica é composta por duas caixas hermeticamente fechadas e conectadas entre si com uma furação no eixo central para permitir a passagem de cabos elétricos. Cada caixa A e B (1) (3) inclui uma gaveta suportada por encaixes de PVC para permitir a fácil troca de baterias. O sistema de locomoção constituído por quatro rodas motrizes independentes permite até cinco modos tipos de movimento diferentes. Adicionalmente foi incluído um eixo longitudinal passivo para permitir que o robô navegue em conformidade com a topologia do terreno. A combinação destas duas características oferecem a capacidade para o robô navegar em quase todas as condições, mantendo a sua integridade .

A transmissão da força motriz de cada motor (7) (8) para a roda correspondente é feita diretamente através de um simples sistema de engrenagens. A ausência de correntes ou correias reduz significativamente não só a energia desperdiçada como também o número de pontos propícios a falhas ou rupturas. A energia total disponível para a tração (máx. lkW = 4x250W) permite que o robô se desloque com velocidades até 1,5 m/s e supere inclinações até 40°.

Outra questão relacionada com este tipo de aplicações e que é frequentemente ignorada diz respeito aos problemas relacionados com a logística e transporte do robô. Para além de ter sido concebido com a preocupação em manter uma dimensão e peso baixos, não perdendo funcionalidades e autonomia energética, o robô que constitui a presente invenção apresenta características que facilitam o seu transporte manual:

1. cada roda permite o bloqueio de direção e possui uma embraiagem manual;

2. o eixo longitudinal passivo pode ser bloqueado para não permitir movimentos não intencionais durante o transporte do robô.

De modo a suportar o sistema de controlo, as aplicações de alto nível e os módulos de software, a presente invenção apresenta uma arquitetura de hardware modular, composta principalmente por componentes comerciais pré-fabricados , a qual considera as necessidades de um sistema flexível (e.g., que permita adicionar e retirar dispositivos com processos de reconfiguração simples), fiável e de fácil manutenção .

A unidade de processamento principal do robô é composta por um computador industrial Intel Core i 7, o qual recebe dados provenientes dos sensores presentes no robô, constrói mapas do ambiente local que, por sua vez, permitem ao robô efetuar uma navegação autónoma segura. As informações relativas ao posicionamento global do robô, juntamente com a sua pose e atitude, ambos essenciais à construção dos mapas e localização do robô a partir do mesmo, são adquiridas por uma unidade de medição inercial composta por um conjunto de acelerómetros e giroscópios tridimensionais e um sistema de posicionamento global (GPS) integrado. A percepção do espaço envolvente ao robô, bem como a detecção de obstáculos presentes no terreno, é conseguida com recurso a dados obtidos por uma unidade de medição bidimensional a laser, montada num suporte com inclinação variável cíclica. Adicionalmente, um conjunto de sensores internos para leitura de temperatura, tensão aplicada, corrente consumida e nível das baterias permitem reunir os dados necessários para alimentar a ferramenta de automonitorização e diagnóstico de problemas, permitindo desta forma a detecção e recuperação em segurança de falhas no sistema. Por conseguinte, problemas que possam ocorrer por sobrecarga, excesso de temperatura ou desgaste das baterias são detectados por estes sensores permitindo a tomada de medidas apropriadas à gestão, recuperação ou salvaguarda do sistema, incluindo a capacidade de desligar e restaurar automaticamente os componentes que apresentem um funcionamento instável.

Numa outra secção, praticamente independente da camada de controlo e suporte, encontra-se um circuito fechado de vídeo. Este circuito é composto por dois sinais distintos sendo que um é proveniente da agregação de um conjunto de pequenas câmaras analógicas, que abrangem a periferia do robô para auxiliar a tele operação do mesmo, e o outro provem de uma câmara de vigilância. Esta última é controlável, pelo centro de controlo, em azimute, inclinação e zoom, e comporta iluminação externa por infravermelhos para captação de imagens noturnas.

O controlo de locomoção do robô pode ser feito utilizando um de dois dispositivos possíveis: um centro de controlo portátil e um comando remoto de curto alcance, sendo o último apenas utilizado em contexto de tele operação e quando o operador se encontre em linha de vista do robô. Já o centro de controlo portátil representa uma unidade de controlo bastante mais completa, que permite não só o controlo de tele operação, como também o planeamento de missões autónomas e monitorização do estado atual do robô.

O centro de controlo engloba um computador portátil robusto, resistente a intempéries e utilizável em ambientes ao ar livre. Um monitor adicional permite visualizar a imagens obtidas pelas câmaras a bordo do robô. Um par de joysticks robustos oferece a possibilidade de controlar tanto a locomoção do robô como os movimentos da câmara de vigilância. A interface gráfica do centro de controlo permite também a criação e gestão de trajetos georreferenciados , a serem executados de forma autónoma pelo robô.

Considerando os dois dispositivos de comando, o sistema permite até um total de cinco modos de comunicação entre o operador e o robô. O comando remoto de curto alcance permite comunicação sem fios, por radiofrequência, ou por cabo ligado diretamente ao robô. Já o centro de controlo oferece três alternativas: modo de rede Wi-Fi (ad-hoc) até uma distância máxima de 1000 metros em linha de vista; modo de rede Wi-Fi (infraestrutura) dependente da cobertura na zona de operações; e modo com umbilical. O último modo consiste num cabo longo para transmissão de dados e potência para o robô, sendo utilizável em locais onde a utilização de uma rede sem fios não é permitida, segura ou viável .

Outra característica de hardware proposta diz respeito à possibilidade de adição de módulos de expansão. Este sistema foi desenhado por forma a permitir que todo o tipo de sensores adicionais (e.g., temperatura atmosférica, radiação, humidade, minas, metais) possam ser incorporados sem necessidade de alimentação externa, uma vez que estão previstas e incluídas linhas de diversas tensões disponíveis diretamente nos mesmos conectores utilizados para transmissão de dados. Isto permitirá também a adição de mais unidades de computação, unidades de vídeo ou manipuladores eléctricos, sem grandes esforços de implementação .

No que respeita ao software, um robô polivalente pode ser distinguido pela sua habilidade não só de operar em cenários distintos ou de suportar a integração de sensores ou unidades de computação adicionais, mas também de permitir a adição de novos módulos de software que expandam a funcionalidade do robô (e.g., navegação livre de colisões e cooperação homem-robô) . Para isto, a arquitetura de software deve ser flexível e modular, capaz de abstrair tanto o hardware como as aplicações individuais de uma maneira normalizada. Desta forma, é possível gerir facilmente as atualizações e restauros de software, o que resumir-se-á apenas a listar quais as aplicações, processos e respectivas versões que deverão ser executadas na altura que se ligar o robô.

A arquitetura de software da presente invenção foi desenhada por forma a suportar funcionalidades como registo de ações, autodiagnóstico e interfaces homem-máquina com hierarquia apropriada através das várias camadas de abstração e da rede de comunicações. As interfaces de entrada e saída de dados (I/O) dos diversos dispositivos de hardware , incluídos no sistema ou com possibilidade de integração futura, também foram contemplados. A comunicação entre processos é conseguida por intermédio de um barramento de serviços conceptual de baixa latência, disponível em toda a rede, permitindo a troca eficiente de dados entre os diversos módulos que compõem o sistema.

A camada de topo da arquitetura de software engloba a interface homem-máquina e os algoritmos de alto nível, que agregam os dados provenientes dos sensores e produzem a informação necessária ao suporte dos módulos de navegação e tomada de decisão. Reciprocamente, as camadas inferiores incluem tanto os componentes de software que se encontram ligados diretamente aos dispositivos de hardware, como aqueles que ligam e dão acesso às camadas superiores. As camadas intermédias permitem dar suporte às restantes funcionalidades do sistema (e.g., gestão de comunicações, registo de dados, controlo de fluxo) .

Os restantes módulos de software podem ser descritos resumidamente no seguinte:

Interface homem máquina: este componente tem a função de mediar a interação entre os agentes humanos e o robô, proporcionando ao operador humano toda a informação relevante sobre o estado atual do robô e permitindo deste modo uma tomada de decisão adequada. Por conseguinte, o operador tem acesso a uma interface gráfica simples e intuitiva onde são apresentados dados sensoriais e telemétricos obtidos pelo robô, bem como as imagens captadas em tempo real pelas câmaras a bordo do mesmo. Esta ferramenta de interação homem-robô permite não só tele operar diretamente o robô, com total percepção do ambiente envolvente ao mesmo, mas também corrigir ou melhorar o comportamento desejado para o mesmo quando este se encontra em modo autónomo. Embutidas na interface gráfica, encontram-se aplicações que dão acesso a serviços Web, tais como localização e mapeamento georreferenciado e reconhecimento facial. 0 primeiro foi estendido por forma a permitir a criação e edição de trajetos desejados, sobrepostos ao próprio mapa aéreo do teatro de operações.

Aplicação : este componente é o responsável pelo processamento lógico dos algoritmos de alto nivel. Aqui estão incluídos o cálculo da cinemática do robô, a detecção de obstáculos, o planeamento de trajetos e o autodiagnóstico e recuperação de erros. Por forma a aumentar a flexibilidade, este módulo permite a adição de novos pacotes de software devido à sua estrutura em forma de grafo com nós a representarem processos e ligações a representarem a troca de mensagens entre processos (como será descrito mais abaixo) .

Repositório : este componente serve o propósito de armazenar todos os dados persistentes e informação processada. Está organizado como um sistema de ficheiros,' com diretorias e subdiretorias, disponível a todos os restantes módulos de software .

Controladores de Dispositivo: são elementos críticos que permitem a ligação dos sensores e actuadores físicos com o sistema lógico presente no robô. Executam a tradução dos dados recolhidos em bruto pelos dispositivos de hardware para um formato reconhecível pela unidade central de processamento e restantes módulos de software .

Barramento de serviços : representa a interface comum que permite a comunicação (troca de mensagens e serviços) entre todos os módulos de software .

Por forma a cumprir com os requisitos de flexibilidade e modularidade, o sistema de controlo proposto para a presente invenção é totalmente compatível com a framework de software Robot Operating System (ROS) . Esta escolha deveu-se às suas características de código fonte aberto e à sua forte disseminação e utilização a uma escala global, tanto para fins académicos como comerciais. Por conseguinte, o ROS fornece já consigo um conjunto de serviços normalizados, típicos a um sistema operativo orientado ao controlo e suporte ao desenvolvimento de aplicações robóticas. Entre outros, o ROS permite a abstração do hardware, controlo de dispositivos a baixo nivel, implementação de funcionalidades comuns a vários níveis, troca de mensagens entre processos e gestão de pacotes de software. A sua arquitetura é baseada num sistema de grafo no qual os nós representam processos que podem subscrever, publicar ou agrupar mensagens relativas a comandos de controlo, informação, sensorial, estado atual, planeamento, entre outras. 0 ROS permite também o desenvolvimento assente . em computação distribuída, providenciando as bibliotecas, ambientes de desenvolvimento, compiladores e ferramentas para o desenvolvimento e execução de aplicações distribuídas entre vários computadores da rede (dentro e fora do robô) .

O sistema de controlo da presente invenção respeita a sintaxe do ROS no que diz respeito aos conceitos de Ληό' e tópico' para processamento de dados e troca de mensagens, respectivamente. Os nós interagem entre si através de um sistema de troca de mensagens denominado por tópicos. Desta forma, sempre que um processo necessite de receber ou enviar informação específica a determinado assunto, ele subscreve ou anuncia a publicação no tópico respectivo ao assunto, esperando que este seja alimentado por novos dados provenientes de outros nós, ou ele próprio alimentando o tópico para que os dados sejam consumidos por outros nós. Dentro do ROS, os nós podem representar diversos níveis de funcionalidades.

Para além dos existentes no ROS foram implementados, para o sistema básico de controlo da presente invenção, os seguintes nós:

Controlo de Locomoção: estando, incluído como parte da camada de controlo de dispositivos, o nó de controlo de locomoção é o responsável por atuar diretamente nos motores (7) (8) do robô, tendo em conta as ordens recebidas pelo nó da cinemática (ver abaixo) . A interação entre ambos os nós é feita através de um tipo de mensagens ROS {sensor_msgs/JointState) que pode transportar valores acerca da posição velocidade ou esforço de um conjunto de actuadores físicos. Como tal, o mesmo tipo de mensagem é utilizada tanto para receber ordens acerca dos valores desejados como para publicar informação acerca do estado atual dos actuadores.

Cinemática : na camada de aplicações, este nó é o responsável pela resolução do problema da cinemática inversa do robô tendo em conta comandos de movimento linear e angular recebidos através das mensagens ROS geometry_msgs/Twist , publicadas pelo nó da navegação. Desta forma, os comandos são traduzidos para os valores absolutos de posição e velocidade de cada actuador, necessários a que o robô execute os movimentos pretendidos. Por outro lado, os valores atuais de posição e velocidade dos motores (7) (8) são utilizados para estimar o deslocamento e pose do robô, ou seja a sua odometria, publicando o resultado através das mensagens ROS nav_msgs/Odometry.

Navegação : o nó da navegação abstrai um conjunto de nós responsáveis pelos comportamentos de planeamento de trajetos e desvio de obstáculos. Este meta-nó recebe e agrupa dados sensoriais e dados vindos da interface de controlo, tais como: distâncias a objetos através das mensagens sensor_msgs/LaserScan ; inclinação e orientação do robô através das mensagens sensor_msgs/IMU; posição e velocidade estimadas através das mensagens nav__msgs/Odometry; e destino pretendido através das mensagens geometry_msgs/ PoseStamped. Posteriormente, o nó publica o trajeto planeado até ao destino pretendido, bem como os próximos valores para a velocidade linear e angular que o robô terá de tomar.

Tele operação: este nó é o responsável pela interface lógica com os dispositivos de controlo de locomoção (joysticks) utilizados para operar o robô. Os valores desejados para a velocidade, orientação e modo de locomoção são obtidos diretamente dos joysticks e utilizados para estimar a velocidade linear e a velocidade angular a aplicar ao robô através de mensagens ROS geometry_msgs/ Twist.

Interface Gráfica de Controlo: incluído na camada da interface homem-máquina, este nó permite apresentar ao utilizador uma interface gráfica intuitiva para o controlo e monitorização remota do robô. Como tal, a interface gráfica apresenta todos os dados sensoriais lidos pelo robô, o seu estado de funcionamento atual, diagnósticos estimados, entre outros. Esta informação pode ser obtida em tempo real, ou posteriormente nos registos do sistema. O utilizador poderá também, através deste nó, visualizar e alterar os parâmetros de configuração do sistema (e.g., características da rede de comunicações) . Finalmente, este nó inclui também o suporte para as ferramentas de visualização e simulação nativas do ROS, tais como o Rviz e o Gazebo.

Câmara Aumentada: este nó exibe as imagens captadas pela câmara de vigilância a bordo do robô, procedendo à detecção facial de pessoas presentes nas mesmas. O utilizador poderá também gravar uma imagem a qualquer momento para posterior análise mais detalhada. Outras funcionalidades permitem a visualização gráfica da orientação e posicionamento global atual do robô, bem como as orientações dos próximos pontos GPS que o robô deverá alcançar. Foram implementadas também várias optimizações por forma a evitar computação adicional desnecessária em caso de pequenos movimentos e vibrações do robô.

Trilho em Mapa: este modo exibe os trajetos reais do robô sobre mapas aéreos georreferenciados , com recurso à posição GPS atual do robô e o serviço Google Maps. A sua funcionalidade permite ao operador criar novos trajetos e modificar ou remover trajetos existentes. Cada trajeto consiste num conjunto de pontos GPS interligados que o robô deverá alcançar por ordem. O utilizador pode criar pontos intermédios tocado a linha que liga dois pontos existentes. Cada ponto existente pode ser deslocado e reposicionado sempre que necessário. 0 modo de edição pode ser desativado por forma a evitar a edição acidental de trajetos quando o utilizador estiver a rodar, ampliar ou diminuir o mapa. Um painel lateral permite visualizar a lista de trajetos guardados no sistema.

Uma vez que o próprio ROS inclui já alguns controladores de dispositivos necessários à comunicação com alguns dos componentes de hardware presentes no robô, estes puderam ser facilmente integrados no sistema. Estes nós, disponibilizados pela comunidade, foram os seguintes:

Laser Scan: disponível no pacote de software LMSlxx, este controlador de dispositivo permite comunicar com o dispositivo de medição a laser SICK LMS111 presente no robô, publicando os valores obtidos através das mensagens ROS sensor_msgs/LaserScan .

IMU: disponível no pacote de software lse_xsens_mti , este nó permite obter as leituras inerciais do dispositivo Xsens Mti-G, publicando-as através das mensagens ROS sensor_msgs/IMU. Adicionalmente, as coordenadas geográficas obtidas pelo mesmo dispositivo são publicadas através das mensagens ROS sensor_msgs/NavSatFix.

Outras modalidades sensoriais, que não indispensáveis ao controlo básico do robô (e.g., câmaras de visão binocular, sensores ultrassónicos , etc.) seguem a mesma linha de raciocínio .

A arquitetura apresentada permite suportar as funcionalidades básicas do robô, tais como o controlo tele- operado e o seguimento autónomo de pontos GPS. Possibilita também a fácil integração de módulos utilitários adicionais. Contudo, a robustez necessária à execução de tarefas de longa duração pode apenas ser conseguida com o suporte de um mecanismo de diagnóstico e recuperação de falhas adequado. Isto será explicado com mais detalhe na próxima secção.

Diagnóstico e Recuperação de Erros

O sistema de diagnóstico da presente invenção foi desenhado para recolher dados provenientes dos componentes de hardware e dos módulos de software com o propósito de efetuar análises, rastrear problemas e registar falhas. Este sistema encontra-se totalmente suportado pelo ROS, uma vez que este providencia, de uma forma normalizada, um

i conjunto de ferramentas para a recolha, publicação, análise e visualização de dados de diagnóstico. Em particular, todos os nós, sejam eles nativos do ROS ou desenvolvidos para a invenção, publicam mensagens ROS diagnostic_msgs/DiagnosticStatus no tópico respeitante ao diagnóstico do sistema, localizado em /diagnostics . Posteriormente, o nó nativo diagnostic_aggregator recolhe' as mensagens publicadas neste tópico, processando-as e categorizando-as , i.e., catalogando as mensagens por módulo de sistema, e republica-as no tópico respectivo tópico, /diagnostics_agg.

Este processo de agregação de mensagens por módulo permite facilitar a leitura dos dados de diagnóstico e agilizar o rastreio dos problemas detectados, tanto pelo sistema como pelo utilizador, através de uma ferramenta nativa do ROS criada para exibir visualmente e de forma legível as mensagens de diagnóstico. Contudo, esta ferramenta é bastante simples e genérica, não oferecendo qualquer possibilidade ao utilizador ou ao sistema de atuar diretamente sobre os processos a decorrer nos restantes nós, nomeadamente caso estes apresentem um comportamento instável ou se encontrem em falha. Por conseguinte, a invenção inclui uma interface gráfica personalizada onde cada módulo do sistema encontra-se representado por um ícone quadrangular colocado na sua posição física real sobre um modelo à escala da plataforma mecânica. O utilizador pode observar o estado de cada módulo através da cor das margens do ícone correspondente que, tomando como possíveis cores o verde, laranja, vermelho ou azul, designam os estados de bom {ok), em alerta, em erro ou obsoleto, respectivamente. O último estado corresponde ao caso em que o módulo deixou de publicar mensagens de diagnóstico. Quando o utilizador seleciona o ícone representado por uma lupa, é-lhe apresentado um relatório mais completo acerca dos problemas diagnosticados, bem como a possibilidade de desligar componentes individuais ou mesmo todo o sistema.

A ferramenta de diagnóstico incluída na invenção apoia a mecanismo de recuperação de erros. Este mecanismo intervém sempre que uma falha de sistema é reportada pelo diagnóstico, reduzindo portanto a necessidade de intervenção humana na fase de recuperação de erros. Por conseguinte, o recuperador de erros foi implementado como um nó ROS independente e incorporado na arquitetura do sistema de controlo. Este nó recolhe informação do nó diagnostic_aggregator e subscreve aos tópicos mais críticos do sistema, nomeadamente os que partilham dados sobre comandos de locomoção e comunicação com dispositivos de hardware . Isto permite não só controlar o estado de funcionamento de cada nó, mas também validar as ordens e comandos trocados entre nós. De facto, o recuperador de erros está ciente, a qualquer momento, dos parâmetros de segurança do sistema disponibilizados pela camada de repositório. Consequentemente, este nó tem a capacidade de agir como um filtro, limitando e impedindo a troca de comandos inválidos ou que possam afectar a segurança do sistema. Por exemplo, pode imaginar-se a situação em que um operador humano pretende mover o robô na sua velocidade máxima enquanto o diagnóstico reporta um problema de sobreaquecimento dos motores. Neste caso, o recuperador de erros intervém através da redução do valor permitido para a velocidade máxima do robô nos parâmetros de sistema, evitando deste modo uma potencial avaria dos motores (7) (8). Assim sendo, cada nó pode reportar falhas críticas locais (e.g., um controlador de dispositivo incapaz de comunicar com o componente de hardware respectivo) diretamente ao recuperador de erros, reduzindo desta forma o tempo de resposta'. Nesta situação, o recuperador de erros age sobre o sistema global (e.g., parando os movimentos do robô e colocando todos comandos de locomoção em estado de espera) por forma a tentar solucionar o problema (e.g., restaurando o dispositivo que está a causar a falha ou alterando as configurações do sistema) antes de requisitar qualquer intervenção humana.

Resultados

Por forma a se obter uma previsão sobre a resistência da estrutura mecânica da presente invenção, foram realizados testes de esforço recorrendo ao método de análise dos elementos finitos. Este método permitiu não só garantir que a estrutura se encontra em conformidade com os requisitos iniciais, mas também perceber até que ponto o robô será capaz de lidar com as adversidades do terreno. Para realizar esta análise, foi escolhida a ferramenta de simulação Autodesk Ansys. Os pontos críticos que foram alvo de análise, por serem potenciais pontos de ruptura do sistema, foram a junta central (2) que liga as duas caixas principais (1) (3) e os blocos de transmissão que suportam as rodas, sendo que no último caso os testes foram realizados em duas fases. No que diz respeito aos testes realizados à junta central (2)·, foram aplicadas quatro forças verticais sobre as caixas principais (1) (3) interligadas pela junta central (2) . Estas forças pretenderam simular a capacidade da estrutura para aguentar o peso das baterias, componentes eléctricos e electrónicos e restante carga adicional. A quantidade de variáveis envolvidas neste método torna difícil o processo de dimensionamento · dos valores corretos para análise, é normalmente utilizado, para resolver este problema, o critério de Von Mises que se baseia em combinar, numa tensão equivalente, as distorções provocadas pela energia de deformação do sólido, desenvolvidas nas várias direções possíveis. Os resultados mostram que o valor máximo da tensão equivalente de Von Mises foi apenas obtido em pontos infinitesimais. Por definição, a tensão equivalente é utilizada para compreender o comportamento da estrutura no seu geral. Em ambos os casos é possível observar que a estrutura se encontra longe do ponto de ruptura mecânica. O mesmo foi observado nos testes realizados aos blocos de transmissão e rodas, tanto aplicando forças verticais como laterais, no topo inferior da jante (4) .

Para além dos testes de resistência em simulação, foram executados também testes qualitativos do desempenho do sistema real em cenários típicos de uso. Para tal, o robô foi tele operado através de uma variedade de terrenos, incluindo pisos de cimento, asfalto, gravilha, relva, vegetação densa, terra batida e areia solta. Durante a execução destes testes, o robô foi capaz de se deslocar sem falhas, mostrando também a sua capacidade de se adaptar aos diversos tipos de terreno, superando com sucesso desníveis até 45° e obstáculos até 30 cm.

Forma preferencial de realização

Numa forma preferencial de realização da presente invenção, esta encontra-se equipada com uma junta central (2) passiva, cuja amplitude de rotação pode ser ajustada segundo valores pré-estabelecidos : a amplitude desejada pode ser obtida através da aplicação de um grampo mecânico, que limitará fisicamente a rotação do eixo para lá da amplitude correspondente. É necessária uma chave sextavada de 5 mm para efetuar a troca dos parafusos que fixam estes grampos .

A unidade da direção foi acoplada diretamente (sem limitador de binário (9)) com uma engrenagem redutora secundária (10) (11). Por forma a permitir o máximo desempenho possível, as engrenagens foram dimensionadas para o binário máximo disponibilizado no veio do motor Maxon EC45 136198 (0.965 Nm) para a redutora primária Maxon GP52 C 223593 (i=81). Na redutora secundária (10) (11), com uma relação de 2:1, as engrenagens são do tipo com dentes rectos, módulo 2, feitas de aço inoxidável temperado 37Cr4. Os dentes foram endurecidos para uma dureza mínima de 58 HRC. O binário máximo permitido disponível na roda é de aproximadamente 114 Nm em condições quase estáticas, correspondendo a uma força horizontal na ponta do pneu (5) cerca de 35 daN. A transmissão é totalmente reversível, permitindo- o posicionamento livre da roda com o motor desligado e sem freio, bem como o seu bloqueio uma vez alinhada longitudinalmente com o robô por intermédio de um trinco próprio para o efeito. O ângulo da roda pode ser detectado com um encoder absoluto (ref. ENA28F Megatron) . Todo o bloco da transmissão foi selado com um anel de borracha na base e na junção com o cubo da roda (16) . Uma furação M12xl,5 permite a passagem dos cabos de dados e alimentação para o encoder, utilizando um bucim M12 IP65 para permitir a impermeabilização do bloco.

0 robô apresenta uma largura máxima de 847 mm, incluindo os pneus (5) selecionados . A estrutura mecânica do robô é manufacturada quase na sua totalidade em liga de alumínio, o que corresponde a cerca de 84% do seu peso total, sendo que para os componentes soldados foi utilizada uma liga 6082-T6 e para os componentes maquinados foi utilizada uma liga 7075-T6.

As rodas estão dispostas de forma a maximizar a estabilidade do robô. A sua construção essencialmente simétrica permitiu mover o centro de massa da estrutura aproximadamente para o eixo central. A estrutura apresenta uma elevação ao solo de 204.3 mm na parte central e de 191.3 mm na zona dos braços de transmissão (6) (12). Estas cotas podem sofrer alterações dependendo da escolha de pneus, pressão dos mesmos e peso da carga transportada.

0 motor Maxon EC45 136210 apresenta uma velocidade angular nominal de 8380 rpm (9090 rmp em vácuo a 24 Vdc) . A redutora primária Maxon GP62A 110504 tem uma relação de ip=71, enquanto a redutora secundária (10) (11) apresenta uma redução de is=2, num total de ic=142. Com esta redução, a velocidade angular nominal de cada roda é cerca de 0.983 rps (0ext = 622.6 mm), correspondendo a uma velocidade nominal teórica de 6.925 km/h, com os pneus (5) especificados.

Em inclinações de 45° na direção do deslocamento, e com uma carga máxima de 115 kg (85 kg robô + 60/2 kg carga), tendo em conta a eficiência da redutora primária (70% máx.), da redutora secundária (10) (11) (cerca de 92%) e de algumas perdas devido ao atrito (aproximadamente 5%) , o binário necessário é maior que 0.66 Nm, correspondendo a uma velocidade aproximada de 2.3 km/h, segundo a curva de binário do motor. Contudo, o robô só deve ser sujeito a estas condições durante curtos períodos de tempo, pois os motores (7) (8) poderão apresentar sobreaquecimento.

O motor Maxon EC45 136210 permite desenvolver um binário máximo de 4.18 Nm, correspondente ao binário no veio exterior de cerca de 207 Nm, superior ao valor intermitente admitido de 75 Nm. Para tal, o desenho da transmissão permite ajustar o binário, sendo o máximo compatível com o desempenho reportado pela Maxon para a sua redutora. Nesta configuração, pode ser aplicado um binário máximo no veio de rotação de aproximadamente 150 Nm antes da intervenção do limitador, correspondente a uma força de tração de 46 daN, o que permite superar um obstáculo vertical a uma velocidade perto de zero e durante muito pouco tempo. A limitação do binário é feita atuando no parafuso presente no centro do cubo da roda (16) . Rodando o parafuso para a esquerda, com uma chave sextavada de 8 mm e aplicando um binário de 30 Nm, obtém-se a limitação mínima, ou seja um binário máximo permitido de 150 Nm. Rodando o parafuso no sentido contrário permite aumentar gradualmente o limitador (9), reduzindo o binário, até a roda se encontrar totalmente livre da ação do motor. Por forma a aumentar o desempenho, reduzindo no entanto a fiabilidade, pode ser colocado um espaçador (não fornecido na estrutura) no limitador (9) para desabilitar a sua função.

A carga típica transportada é de cerca de 60 daN, incluindo baterias. Contudo, o dimensionamento dos componentes da estrutura, verificada em 4g segundo a norma militar MIL- STD-1791, permite aumentar a carga ate 100 kg, com eventual diminuição de autonomia energética e desempenho.

Para permitir a elevação e suspensão da estrutura, foram criadas quatro furações 011 (14) nos braços superiores de transmissão (6) . Estas furações (14) permitem a montagem de olhais MIO. Cada grupo de direção permite o bloqueio da roda na posição em que esta se encontre alinhada longitudinalmente com a estrutura. Também, os cubos de roda (16) estão, equipados com sistemas de libertação mecânica das rodas permitindo que estas rodem livremente, sem estarem sujeitas à ação dos motores (7) (8) . As jantes de alumínio foram montadas nos cubos com parafusos de cabeça escareada de 6 mm. Todas as superfícies expostas da estrutura são suaves e arredondadas, sem arestas vivas.

A solução representada para o eixo central é fácil de configurar e muito resistente, podendo resistir a choques e impactos repetidos. A junta central (2) foi testada para uma carga vertical de 4x145 Kg (peso teórico = 85 kg estrutura + 60 kg baterias e carga adicional) , de acordo com a norma militar MIL-STD-1791. No seu interior, apresenta uma furação de 055 mm para permitir a passagem de cabos e conectores eléctricos. O seu ângulo de rotação pode ser medido por um encoder absoluto (ref. MAB25A Megatron) montado numa engrenagem com relação de 4:1 (Ml, 5 z72/zl8). A folga da engrenagem pode ser ajustada atuando nos parafusos, sendo necessária para tal tarefa uma chave sextavada de 5 mm. Por forma a vedar o sistema contra água e poeira, um anel de borracha está presente entre a haste central e o acoplamento exterior. Sempre que o conjunto necessitar de ser desmontado, deve ser aplicado um lubrificante à base de silicone, não lavável. Os mecanismos internos devem ser verificados periodicamente quanto à entrada de água ou poeira por forma a preservar a sua integridade . A estrutura mecânica do robô é composta por duas caixas hermeticamente (1) (3) fechadas e conectadas entre si com uma furação de 055 mm no eixo central para permitir a passagem de cabos eléctricos. Cada caixa (A e B) (1) (3) inclui uma gaveta suportada por encaixes de PVC para permitir a fácil troca de baterias. Para a abrir as gavetas, deve-se atuar nos 8 parafusos dispostos no perímetro da tampa, com uma chave sextavada de 4 mm. A gaveta pode ser removida até que a tampa apresente uma distância máxima à caixa de cerca de 250 mm; acima deste valor os encaixes deixam de conseguir suportar o peso da mesma. Antes de fechar a tampa, deve-se verificar que o anel vedante de borracha se encontra intacto e corretamente posicionado .

Todas as engrenagens encontram-se seladas em caixas metálicas, portanto fora de alcance a partir do exterior. As circunferências são lenticulares. Contudo, não foi possível segregar a área de ação das rodas.

A dimensão das caixas A e B permitem a inclusão, em cada uma, de uma bateria LiFeP04 de 24 V x 60 Ah (ref. RFE-8F60 ABM, dimensão 195X150x295 mm, 16 kg) . É, contudo, possível montar baterias com outras performances e formas desde que o seu volume envolvente não supere a dimensão interna das gavetas. Assumindo que:

• Eficiência mecânica máxima da transmissão = 63%;

• Coeficiente de atrito para superfícies planas, suaves e horizontais = 5%;

• Eficiência máxima do motor eléctrico = 85%;

• Eficiência máxima do controlador de motor = 85%; • Peso com carga máxima = 145 kg (85+60) .

O consumo de potência é de cerca de 350 W, o que corresponde a uma autonomia energética de cerca de 4 horas com apenas uma bateria (considerando as baterias mencionadas acima) . No entanto, este limite não pode ser alcançado considerando que a capacidade das baterias é calculada segundo um consumo energético de 20% do valor mencionado, isto é, 288 W no caso de baterias de 12 V.

As caixas A e B permitem a furação pelas laterais ou pelo topo com vista a serem colocados conectores estanques para permitir o carregamento das baterias. Esta operação pode ser efectuada convenientemente na altura da instalação das baterias .

A estrutura suporta até duas baterias que poderão ser ligadas independentemente (por exemplo uma para a potência e outra para alimentar os componentes electrónicos) , ou interligadas, entre si em paralelo ou série.

Com vista a proteger os componentes, foram colocados anéis de borracha nas seguintes localizações:

• Junta central (2);

• Engrenagem do bloco da direção;

• Tampas das gavetas incluídas nas caixas A e B.

Todos os rolamentos são do tipo 2RS (vedante de borracha e lubrificação permanente dupla) . Contudo, para reduzir as perdas por atrito durante a deslocação do robô, foram utilizados, vedantes elásticos (mástiques) na parte exterior dos cubos de roda (16), evitando também deste modo a necessidade de se colocarem anéis nos veios. Em caso de uso intensivo, é recomendado proteger a superfície dos rolamentos expostos com esmalte específico. As superfícies não pintadas foram galvanizadas.

Foram realizados testes envolvendo os componentes e a fiabilidade do seu dimensionamento. Particularmente, foram considerados os seguintes casos:

• O conjunto formado pela transmissão, direção e braços de suporte, incluindo as rodas;

• O conjunto formado pela junta central (2)e pelas caixas A e B (1) (3) .

Estas montagens foram sujeitas a cargas verticais típicas equivalentes ao máximo nominal (85 daN robô + 60 daN carga) multiplicado por 4, o equivalente a uma aceleração de 4g. O resultado confirma o redimensionamento generosamente acima do mínimo necessário. No primeiro caso, foi feito ainda um teste a uma carga horizontal na ponta inferior da jante (4), simulando colisão e capotamento, onde fói aplicada uma força de 3000 N numa área pequena. Mesmo nestas condições de tensão, o factor de segurança é maior que 1 nomeadamente , 1.236.

Informação adicional :

Comprimento L = 1529,6 mm considerando o diâmet ro das rodas*

LI = 931 mm distância entre as caixas A e B

L2 = 907,67 mm distância longitudinal entre eixos

L3 = 636 mm distância transversal entre eixos

Largura 847 mm considerando o diâmetro das rodas*

Altura 630 mm desde o topo dos motores Maxon EC45

136210* .

Elevação ao 204.3 mm no centro

solo 191.3 mm nos braços de transmissão

Rodas Jante 19' ' x 1, 6* 1

Pneu 70-19 para todo-o-terreno ( ichelin Starcross MH3 Júnior, velocidade máxima = 130 Km/h, carga máxima 42 = 150 Kg) , diâmetro máximo nominal = 622 mm

Peso 85 kg excluindo baterias e carga adicional

PERFORMANCE :

Potência de 1000 W (4x250 W)

tracção

Potência de 600 W (4x150 W)

direcção

Velocidade 7 Km/h

máxima

Inclinação 45° com carga de 30 kg (incluindo baterias) máxima

Carga máxima 60 kg de carga nominal (incluindo baterias ) ,

ou 100 kg de carga nominal (incluindo baterias) para inclinação máxima até 25°

Amplitude de -45° : +90°

rotação da

direção Amplitude de +/- 30° máximo, ajustável em passos de 10' rotação da

junta central

*Depende do tipo de pneus escolhido crição das figuras

Indicação dos n°s de referência

(1) Caixa A (p/bateria e encoder central);

(2) Junta central;

(3) Caixa B (p/bateria) ;

(4) Jante;

(5) Pneu (cardado) ;

(6) Braço de transmissão superior;

(7) Motor de direção;

(8) Motor de tração;

(9) Limitador de binário;

(10) Redutora secundária (tração) ;

(11) Redutora secundária (direção) ;

(12) Braço de transmissão inferior;

(14) Furações 011 mm para olhais M10;

(16) Cubo de roda.

Plataforma mecânica (vista isométrica)

Detalhe dos braços de transmissão.

Detalhe da junta central.

Detalhe da roda.

Detalhe da caixa B. Figura 6 - Detalhe da redutora secundária de direção. Figura 7 - Arquitetura de hardware.

Lisboa, 11 de Julho de 2013

Claims

REIVINDICAÇÕES
Veículo todo-o-terreno robotizado e autónomo caracterizado por apresentar:
a. sistema de locomoção formado por quatro rodas motrizes controladas independentemente tanto em direção como em tração, onde cada roda possui uma embraiagem manual;
b. eixo longitudinal passivo;
c. sistema de engrenagens seladas em caixas metálicas ;
d. estrutura mecânica composta por duas caixas (1)
(3) hermeticamente fechadas e conectadas entre si com uma furação no eixo central;
e. junta central (2) a ligar caixas (1) (3) e os blocos de transmissão (6) (12) que suportam as rodas, os quais são selados com um anel de borracha na base e na junção com os cubos da roda (16) ;
f . baterias;
g. unidade de processamento principal composta por um computador industrial Intel Core i7 e arquitetura de software embutida;
h. sensores para caracterização do ambiente em torno do robô;
i. unidade de medição inercial composta por um conjunto de acelerómetros e giroscópios tridimensionais ;
j . sistema de posicionamento global (GPS) integrado e unidade de medição bidimensional a laser, montada num suporte de variação de inclinação cíclica;
k.anel de sensores ultrassónicos ;
1. unidade da direção acoplada com engrenagens redutoras secundárias (10) (11);
m. circuito fechado de vídeo com dois tipos de câmaras;
n. controlo de locomoção.
2. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar
a. engrenagens com dentes rectos, de aço inoxidável temperado;
b. binário máximo na roda de 114Nm;
c. furação para passagem dos cabos de dados e alimentação para o encoder;
d. rodas com construção simétrica com centro de massa da estrutura para o eixo central com elevação ao solo de 0.2043m na parte central e de 0.1913m na zona dos braços de transmissão (6) (12) ;
e. quatro furações (14) nos braços superiores de transmissão (6);
f . cubos de roda (16) com sistemas de libertação mecânica das rodas;
g. jantes de alumínio;
h. anel de borracha entre haste central e acoplamento exterior;
i. vedantes elásticos na parte exterior dos cubos de roda (16) .
3. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o circuito fechado de vídeo ser composto por dois sinais distintos um proveniente da agregação de um conjunto de pequenas câmaras analógicas, e o outro de uma câmara de vigilância.
4. Veiculo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o controlo de locomoção ser feito pelo centro de controlo portátil o qual engloba um computador portátil, um monitor, um par de joysticks .
5. Veiculo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o controlo de locomoção ser feito por um comando remoto de curto alcance.
6. Veiculo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar um conjunto de sensores para monitorização do nível das baterias e da temperatura, tensão aplicada e corrente consumida dos vários módulos de hardware .
7. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela estrutura mecânica ser de alumínio.
8. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada caixa (1) (3) da estrutura mecânica incluir uma gaveta suportada por encaixes de PVC.
9. Veículo de acordo com a reivindicação 6 caracterizado por as caixas (1) (3) apresentarem uma furação nas laterais ou, em alternativa, no topo.
Veículo de acordo com reivindicação 1, caracterizado por apresentar nhãs de diversas tensões disponíveis diretamente nos mesmos conectores utilizados para transmissão de dados.
11. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar uma largura máxima de 0,847m.
12. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as baterias serem ligadas independentemente ou interligadas entre si, em paralelo ou série.
13. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar anéis de borracha na junta central (2) , na engrenagem do bloco da direção e nas tampas das gavetas das caixas principais.
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