Robô-chita do MIT busca superar velocidade da chita real

Um robô de cerca de 32 kg projetado por pesquisadores do MIT. poderá em breve superar animais reais em termos de eficiência de corrida. Os pesquisadores conseguiram desenvolver um robô-chita, com tamanho e peso iguais aos de uma chita real, que gastou muita pouca energia ao correr sobre a esteira durante uma hora e meia a uma velocidade constante de 8 km/hora. O segredo para isso são motores leves, instalados no ombros do robô-chita e que produzem alto torque com muita pouca dissipação de calor.

Kim é professor assistente de Esther e Harold E. Edgerton no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. Crédito da foto: M. Scott Brauer.
Kim é professor assistente de Esther e Harold E. Edgerton no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. (Crédito: M. Scott Brauer)

Os desenvolvedores do robô-chita disseram que é difícil alcançar alta eficiência energética em robôs com pernas. Componentes que adicionam peso ao robô – baterias, engrenagens, sensores, molas cilindros – geram significativa perdas energéticas, principalmente quando o robô, para trotar e galopar, têm contato frequente com o solo.

“Para encontrar pessoas em escombros e realizar tarefas em situações de emergência, como demandadas no desastre de Fukushima, o robô precisa ter autonomia”, disse Sangbae Kim. “Se um robô puder correr mais de duas horas…, isso será muito útil. Mas uma das razões de as pessoas acharem que é impossível fazer um robô elétrico capaz de fazer é porque a eficiência energética dos robôs é muito baixa”.

Kim acrescenta que boa parte do desafio para isso é que máquinas que se locomovem rapidamente acionadas por motores elétricos requerem do robô uma respostas rápidas e flexíveis no momento do impacto contra o solo, ou seja, uma alta eficiência em termos de potência e torque – característica historicamente difícil de se conseguir com o uso de motores elétricos.

Para conseguir projetar um sistema alimentado eletricamente que gasta pouca energia nos movimentos robóticos, os pesquisadores tiveram que trabalhar nos três principais fatores de perda de energia: o calor dissipado pelos motores, a energia dissipada mecanicamente – atrito entre engrenagens, correias, etc. – e a ineficiência do sistema de controle dos movimentos, que levam o robô a executar passos pesados e desequilibrados em vez passos suaves e equilibrados, que consomem menos energia.

Para eliminar perdas de energia desnecessárias, a equipe desenvolveu um motor de alta eficiência, com características não encontradas nos motores de mercado. A equipe utilizou motores leves e de elevado torque, que por requerem menos engrenagens, dissipam menos energia.

Geralmente, os projetistas de robôs usam molas para amortecer o impacto decorrente da locomoção dos robôs, mas molas não permitem ajustar o amortecimento em função do terreno, por exemplo, asfalto e areia.

“Com o nosso sistema, podemos fazer que nossa perna robótica execute os movimento como se tivesse molas e amortecedores ajustáveis, embora não use molas, amortecedores e sensores de força”, diz Kim.

A equipe descobriu que outra grande fonte de perda de energia decorre da força do impacto quando a perna do robô toca o chão e que pode ser forte o suficiente para fortes sacolejos no robô e provocar danos. Os engenheiros precisam usar amortecedores de impacto para minimizar os sacolejos e estabilizar o sistema. Kim disse que amortecedores perdem  energia toda vez que a perna toca o chão. Em comparação, os motores elétricos do robô-chita absorvem a energia do impacto, recuperando-a e devolvendo-a ao sistema de modo a economizar energia.

“A maior parte da energia desse impacto é devolvida à bateria, pois o amortecimento é gerado por meio do controle eletrônico sobre o motor com características que permitem isso”, diz Kim. “[O motor] regenera a energia que teria sido perdido”.

Kim acrescenta que a montagem dos motores e engrenagens na articulação do quadril do robô reduzir a perda de energia ao diminuir a inércia perna: Alguns robôs com pernas são projetados com moto-redutores colocados em cada junta da perna, o que pode ser complicado e levar a uma maior perda de energia por impacto. Com o design de Kim, 85% do peso da perna se concentra na articulação do quadril, mantendo o resto da perna leve.

Os pesquisadores também usaram tiras de Kevlar para ligar as secções das pernas do robô, simulando tendões ao longo de um osso. O Kevlar reforça a perna e acrescenta muito pouco peso, o que reduz a inércia da perna. A equipe construiu também uma espinha flexível feita de segmentos de anéis de poliuretano imitando vértebras. Kim disse que no robô-chita a coluna se move juntamente com as pernas traseiras e que, assim, pode armazenar energia elástica durante o galope.

Para testar a eficiência do robô-chita, os pesquisadores colocaram-no para correr sobre uma esteira com velocidade constante de 8 km/hora. Mediram a tensão e corrente da bateria bem como que a liberada por cada um dos motores. Eles calcularam a eficiência de locomoção do robô e descobriram que teve um eficiência maior que outros robôs, como o “Big Dog” e robô de duas pernas da Honda, o ASIMO.

Os pesquisadores fizeram uma minuciosa pesquisa sobre a eficiência de locomoção de animais que andam, voam ou nadam. Como esperado, os animais que voam tem uma eficiência de locomoção maior que os que caminham, mas menor que a dos que nadam. O robô-chita, de acordo com cálculos, fica na faixa de eficiência do humanos, das chitas e dos cães de caça.

Recentemente a equipe montou um robô-chita com um conjunto de novos motores, projetado por Jeffrey Lang, professor de engenharia elétrica no MIT. Kim espera que o robô, uma vez que equipado com motores melhores, será capaz de galopar a velocidade de até 56 km/hora e com uma eficiência incrível. Os pesquisadores estão convencidos que será possível exceder o desempenho dos músculo biológico em vários aspectos, inclusive potência, torque e capacidade de resposta. O novo robô-chita foi testado com seus novos motores e, no entanto, atingiu velocidade de 46 km/hora.

Veja os teste:

“Há muitas maneiras de se projetar, cada tipo de perna de robô é um sistema diferente”, diz Kim. “Se o motor for bem projetado, o robô será mais potente e de robótica mais simples”.

Ron Temer, professor de engenharia elétrica e ciência da computação da Universidade da Califórnia, em Berkeley, disse que molas simples podem funcionar bem em pequenos robôs que correm em terreno liso, mas que, no entanto, em terrenos acidentados e de relevo imprevisível, o sistema de recuperação de energia do robô-chita do MIT chita tem grandes vantagens.

“O robô-chita realmente elevou a tecnologia no que se refere a projetar motores eficientes, transmissões de baixa perda e as pernas de baixa inércia”, disse Temer, que não participou do projeto. “Tudo isso integrado a um sistema acionado por motores regenerativos, que usam a energia mecânica da perna para recarregar a bateria, – que na minha opinião resulta numa enorme diferença de eficiência – é um importante avanço no sentido de dar eficiência aos robôs acionados eletricamente”.

Além de Kim e Lang, são co-autores do estudo incluem Sangok Seok, Albert Wang, Meng Yee Chuah e David Otten, todos do MIT.

A pesquisa foi financiada pelo programa Defense Advanced Research Projects Agency’s Maximum Mobility and Manipulation (M3).

Fonte: http://nanopatentsandinnovations.blogspot.com

 
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