Robótica baseada em pernas: simulação de sistemas para inovação acelerada
A ascensão da robótica com pernas
Há poucos anos, os cães robôs pareciam demonstrações futuristas. Hoje, estão se tornando ativos industriais valiosos. Operadoras de energia os utilizam para inspecionar subestações e instalações offshore. Empresas de mineração os avaliam para operações em ambientes perigosos.
Robôs com pernas estão se tornando tecnologia essencial para vigilância e operações autônomas. Ao mesmo tempo, outros tipos de robôs com pernas, como os inspirados em insetos, estão abrindo possibilidades totalmente novas. Graças à sua excepcional estabilidade e capacidade de navegar em ambientes confinados ou irregulares, os robôs hexápodes estão surgindo como soluções promissoras para aplicações de inspeção e exploração.
Por trás de cada robô bem-sucedido, existe uma combinação complexa de projeto mecânico, sistemas de atuação, controles, software, sensores, gerenciamento de energia e IA. À medida que a concorrência se intensifica e os ciclos de desenvolvimento se encurtam, as empresas de robótica não podem mais depender exclusivamente da prototipagem física.
Simulação de sistemas de gêmeos digitais com multifísica e controles para obter robôs mecatrônicos
É aqui que o Simcenter Amesim oferece uma vantagem decisiva. Através da simulação de sistemas multidomínio, as equipes de engenharia podem avaliar, otimizar e validar arquiteturas de robôs antes de construir o hardware.
Por que a simulação de sistemas é fundamental
Os clientes que adquirem plataformas robóticas esperam mais do que uma máquina que consegue andar. Eles esperam um robô que possa operar de forma confiável, segura e eficiente em ambientes reais.
Para alcançar esse objetivo, os desenvolvedores devem responder a perguntas cruciais logo no início:
O robô conseguirá manter a estabilidade em terrenos irregulares?
Qual a capacidade de carga que ele pode transportar?
Quanto tempo dura a bateria?
Qual tecnologia de atuador é a ideal?
Como o sistema de controle responderá às perturbações?
Será que os algoritmos de autonomia conseguem lidar com obstáculos inesperados?
A simulação de sistemas permite que os engenheiros respondam a essas perguntas virtualmente. As simulações são executadas em poucos segundos de tempo de CPU, não em horas. Os usuários podem acessar todas as variáveis dos resultados calculados, como forças, torques, velocidades, acelerações, temperaturas, correntes, tensões, pressões ou qualquer tipo de resultado que desejem prever, graças aos gêmeos digitais.
Não se trata apenas de animações com deslocamentos impostos, mas de grandezas físicas reais calculadas diretamente a partir de equações dinâmicas para todos os tipos de física: mecânica, elétrica, hidráulica, pneumática, térmica, controles, …
As soluções Simcenter Systems oferecem computação real, resolvendo equações dinâmicas em poucos segundos de tempo de CPU; não se trata apenas de animação
Com o Simcenter Amesim, as equipes podem combinar dinâmica mecânica, sistemas hidráulicos, sistemas de propulsão elétrica, controles e gerenciamento de energia em um único modelo digital. Os problemas podem ser identificados antes que iterações de hardware dispendiosas sejam necessárias.
O resultado é uma inovação mais rápida, menor risco de desenvolvimento e plataformas robóticas de maior desempenho.
De quadrúpedes hidráulicos a robôs formiga elétricos
Vamos ver como o Simcenter Amesim está acelerando o desenvolvimento de robôs bípedes com simulação de sistemas. Na verdade, trata-se apenas de aprender com os robôs mais bem-sucedidos da natureza. A natureza já resolveu muitos desafios de mobilidade. A robótica moderna está cada vez mais adotando essas soluções.
Os dois gêmeos digitais do Simcenter Amesim que serão apresentados a seguir mostram arquiteturas de robôs complementares: um robô articulado de quatro pernas acionado por atuadores hidráulicos e servoválvulas, e um robô de seis pernas inspirado em formigas, acionado por motores elétricos. Juntos, eles ilustram como a simulação de sistemas pode apoiar o desenvolvimento de sistemas de mobilidade avançados antes mesmo da construção de protótipos físicos.
Arquiteturas complementares com robô de 4 pernas com atuadores hidráulicos e robô de 6 pernas com motores elétricos
Vamos começar pelos cães-robôs e plataformas quadrúpedes. Este gêmeo digital quadrúpede do Simcenter Amesim demonstra como robôs de quatro pernas alcançam um equilíbrio entre velocidade, agilidade, mobilidade e estabilidade. Suas pernas articuladas, sistema de atuação hidráulica e estratégias avançadas de controle de marcha permitem:
Subir escadas
Travessia de obstáculos
Navegação em terreno acidentado
Transporte estável de carga
Robô quadrúpede com atuadores hidráulicos – Gêmeo digital e desempenho
O modelo demonstra tanto o trote quanto a marcha, destacando a importância da coordenação entre os pares de pernas e a estabilidade corporal. Para clientes industriais, essa capacidade se traduz em robôs capazes de alcançar locais inacessíveis a sistemas com rodas.
Vamos agora ao segundo exemplo de formigas mecânicas e robôs hexápodes. Este gêmeo digital da formiga mecânica de seis pernas demonstra uma filosofia diferente. Utilizando uma marcha em tripé, três pernas permanecem sempre em contato com o solo enquanto as outras três avançam.
Robô de 6 pernas com motores elétricos – Três pernas permanecem sempre em contato com o solo
Essa abordagem proporciona alta estabilidade estática, excelente adaptação ao terreno, risco reduzido de capotamento e movimentação confiável em espaços confinados.
Robô de 6 pernas com motores elétricos – Gêmeo digital e desempenho
Portanto, existem muitas aplicações possíveis, como inspeção em instalações industriais, oleodutos, túneis, infraestrutura subterrânea e ambientes de exploração remota. Impressionante, não é?
Sistemas de gimbal para observação avançada
Vamos agora aprofundar um pouco mais a análise, adicionando alguns sistemas auxiliares mais presentes em robôs com pernas. De fato, os robôs quadrúpedes modernos estão se tornando cada vez mais plataformas móveis de sensoriamento, em vez de simplesmente máquinas que caminham.
Uma tendência emergente é a integração de sistemas de gimbal multieixos estabilizados montados na parte superior do robô. Essas cargas úteis inteligentes podem transportar conjuntos de sensores ópticos, térmicos, LiDAR ou multissensores, mantendo uma linha de visão estável mesmo quando o robô se desloca em terrenos irregulares.
Robô quadrúpede com um sistema de gimbal acoplado à cabeça, caminhando em uma trajetória predefinida para observar continuamente um objeto em movimento
Este é, na verdade, um desafio de seis graus de liberdade (6 DoF). Teoricamente, pode-se imaginar que não seja tão fácil de resolver, mas, na realidade, é bastante simples obter resultados impressionantes no ambiente Simcenter Amesim. De fato, todos os subsistemas e toda a física podem ser combinados com poucos cliques, enquanto o solver inteligente computa todas as equações instantaneamente, desde dinâmicas lentas até transientes muito rápidos ou fenômenos de alta frequência. Essa abordagem bem-sucedida pode ser conduzida incluindo toda a física detalhada, desde atritos mecânicos, histerese, folgas, vazamentos, etc.
O robô quadrúpede experimenta constantemente movimentos corporais causados pela locomoção, irregularidades do terreno, aceleração e manobras de giro. Ao mesmo tempo, o conjunto de sensores embarcado precisa rastrear e observar continuamente um ponto de interesse em movimento dentro de um ambiente dinâmico. O desafio aqui é garantir que o conjunto de sensores permaneça apontado com precisão enquanto o próprio robô estiver em movimento.
O desenvolvimento de um sistema integrado como esse exige a compreensão da interação entre mobilidade, sensoriamento e controle. A simulação ajuda a identificar se as limitações de desempenho têm origem na plataforma do robô, na mecânica do gimbal, na estratégia de controle ou na arquitetura dos sensores.
Validação virtual do desempenho de rastreamento
Um gêmeo digital permite que os engenheiros avaliem milhares de cenários de rastreamento antes do início dos testes de hardware. Os cenários possíveis incluem:
Observação de objetos em movimento a velocidades variáveis
Mudanças rápidas de direção ou altitude
Operações em terreno acidentado
Vibrações induzidas por marchas de trote ou caminhada
Perda temporária da linha de visão
Centenas de cenários virtuais são investigados com validação virtual
Ao combinar a dinâmica de robôs, a mecânica de gimbals e os algoritmos de controle em um único ambiente de simulação, as equipes podem avaliar a eficácia geral da missão, em vez de otimizar componentes individuais isoladamente.
A vantagem estratégica da robótica orientada por simulação
À medida que as empresas industriais expandem o uso de sistemas autônomos, as expectativas em relação à confiabilidade, autonomia e eficiência continuam a aumentar. Organizações que desenvolvem robôs-cães, hexápodes e futuras gerações de robôs autônomos de inspeção precisam de ferramentas de engenharia capazes de gerenciar essa crescente complexidade.
Ao validar o desempenho virtualmente antes da implementação do hardware, as empresas de robótica podem reduzir o risco de desenvolvimento, acelerar os ciclos de inovação e lançar plataformas robóticas mais capazes no mercado mais rapidamente.
Pode-se, por exemplo, considerar o desenvolvimento de controles avançados para robôs bípedes em pé (um robô "galinha"), cujo desafio é garantir o equilíbrio adequado enquanto os efeitos da atuação e a dinâmica corporal impactam seu movimento, dependendo da velocidade (lenta ou rápida). Trata-se de encontrar a lógica de controle correta para garantir seu equilíbrio em todos os momentos. E, de forma contra-intuitiva, descobre-se que as velocidades mais altas eram mais fáceis de controlar em comparação com os movimentos lentos, já que o momento de equilíbrio é reduzido.
Robô bípede: um robô galinha bípede correndo
Com o Simcenter Amesim, as equipes de engenharia podem avaliar a locomoção, a atuação, os sistemas de energia, os controles, a autonomia e os fluxos de trabalho de IA do veículo em um único ambiente de simulação. É possível até mesmo conectar joysticks para pilotá-lo remotamente, graças aos recursos de simulação dinâmica em tempo real do painel de controle com entradas de controlador no Simcenter Amesim.
Chegando até ao ponto de projetar renas robôs
Vamos além e tornar a brincadeira ainda mais divertida. Que tal puxar o trenó do Papai Noel com renas robôs? É mais rápido e mais barato do que usar renas de verdade. Para melhorar a produtividade e o planejamento das entregas (fundamental para entregar milhares de presentes no prazo), o Papai Noel transformou seus alces e renas em versões robotizadas. Agora é muito mais eficiente: basta programar o trajeto e as renas robôs conduzem o trenó sozinhas até a localização GPS selecionada para entregar os presentes nos endereços certos.
Papai Noel celebra o Natal com renas robôs no Simcenter Amesim, graças à sua biblioteca 3D Mechanical para simulação de múltiplos corpos
A Boston Dynamics celebra o Natal colocando renas robóticas para puxar o trenó do Papai Noel
Principais conclusões – Experimente inúmeros benefícios usando a simulação de sistemas
Chegou a hora de concluir e resumir os benefícios de usar a simulação de sistemas no projeto de robôs com pernas.
O Simcenter Amesim permite que engenheiros avaliem sistemas robóticos completos por meio de simulação de sistemas multidomínio, ajudando as equipes a otimizar locomoção, atuação, sistemas de energia, software de controle e autonomia habilitada por IA antes da construção de protótipos físicos.
Desde cães-robôs que inspecionam instalações industriais até robôs inspirados em insetos que exploram espaços confinados, a robótica com pernas está transformando a forma como as indústrias operam. No entanto, alcançar o equilíbrio certo entre mobilidade, autonomia, eficiência energética, inteligência e confiabilidade exige uma abordagem de engenharia abrangente.
Ao adotar metodologias de engenharia baseada em modelos e gêmeos digitais, as organizações podem acelerar a inovação, reduzir o risco de desenvolvimento e lançar plataformas robóticas mais capazes no mercado com maior rapidez.
O futuro da robótica quadrúpede e multilegs será construído não apenas em laboratórios de hardware, mas primeiramente no mundo virtual, por meio de simulação de sistemas avançados.
Para aproveitar o potencial da simulação de sistemas no desenvolvimento de robôs com pernas e acelerar a validação de locomoção, atuação, controles e gerenciamento de energia, agende uma conversa com a CAEXPERTS. Nossa equipe pode apoiar a implementação e aplicação do Simcenter Amesim, conduzindo os primeiros projetos em colaboração com sua equipe para maximizar o retorno do investimento e ajudar sua empresa a extrair o máximo desempenho da ferramenta, obtendo resultados mais rápidos, precisos e confiáveis em seus projetos.
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