Abrindo o caminho para robôs voadores

Como parte de um projeto de foco na ETH Zurique, oito estudantes de licenciatura construíram um manipulador voador que pode pairar em qualquer orientação e agarrar objetos. O drone é ainda mais manobrável do que um quadricóptero e foi concebido com o objetivo de levar a robótica aérea a novas alturas.

Um armazém com robôs voadores que transportam pacotes. Vários inventores tentaram transformar esta visão do futuro da intralogística em realidade, equipando os quadricópteros com braços de pinças em série. Mas tais combinações de “drone com braço” são lentas e o braço proeminente provoca uma distribuição de peso desfavorável que afeta tanto a precisão como a capacidade de carga. Além disso, os quadricópteros apenas podem rodar no plano horizontal, o que significa que o chamado efetor final — neste caso, a pinça — não se pode mover em todas as direções. Por enquanto, a maioria dos drones ainda se limita atualmente a tarefas de inspeção.

No outono passado, uma equipa de estudantes de licenciatura em engenharia mecânica e engenharia de processos da ETH Zurique teve uma ideia para desenvolver um robô voador integrado que não sofra destas deficiências. Os jovens engenheiros abordaram o projeto de foco, que foi proposto pelo Laboratório de Sistemas Autónomos (ASL), e construíram um manipulador de voo omnidirecional — por outras palavras, um dispositivo capaz de interagir fisicamente com o seu ambiente.

Daniel Gisler, estudante de engenharia mecânica e membro da equipa Griffin, com o manipulador voador.

Inspirado por uma impressora 3D

Para criar um efetor final de alta precisão, os estudantes instalaram um braço paralelo linear, que é posicionado por três corrediças que se movem dentro de uma estrutura prismática. Os jovens inovadores equiparam o Prismav — Prism Micro Aerial Vehicle — com quatro acionamentos alinhados de forma diferente, cada um composto por duas hélices que giram em direções opostas. Isto equilibra o momento das hélices individuais e proporciona um comportamento de voo estável.

A inspiração do braço delta veio do interior de uma impressora 3D. Matthias Rubio, estudante de engenharia mecânica, explica: “Estávamos em frente à impressora 3D e tivemos a ideia de utilizar a estrutura interior da impressora para construir uma plataforma voadora que combina voo e manipulação”. Esta é uma nova abordagem, pois este tipo de braço delta ainda é raro em manipuladores de voo.

O braço paralelo compensa erros de posicionamento

Os grupos de rotor podem rodar em torno do próprio eixo. Isto permite que o objeto voador de 7,5 kg paire em qualquer orientação. Durante o projeto de foco, o drone omnidirecional foi operado dentro de uma sala que está equipada com um sistema de seguimento de movimento visual e assegura a medição precisa da posição e do alinhamento. Isto torna o Prismav capaz de interagir com o seu ambiente e posicionar a pinça com precisão. Duas baterias com uma capacidade de 20 000 mAh fornecem um tempo de voo de 12 minutos.

Os oitos estudantes (sete em engenharia mecânica e um em engenharia elétrica) da equipa Griffin rejubilam após um voo bem-sucedido, que transportou um cilindro de 500 g.

A imprecisão restante nas manobras de voo situa-se geralmente entre 10 e 15 centímetros. Para compensar isto, três motores maxon sem escovas posicionam o braço de pinça com precisão. As três corrediças, que se movem sobre guias lineares, são todas individualmente posicionadas através de uma correia dentada. Com este sistema, a pinça pode atingir qualquer posição dentro do espaço 3D marcado. Para poupar peso sem comprometer a força, a equipa optou pelos acionamentos compactos ECX TORQUE 22 M.

Para áreas perigosas ou inacessíveis

Com o Prismav, os estudantes estabeleceram a base para futuras investigações. Matthias Rubio acrescenta: “Demonstrámos que um manipulador voador é capaz de agarrar, transportar e pousar um cilindro de 500 g, interagindo com o seu ambiente”. O segredo é que o braço de pinça compensa os erros de posicionamento mais rapidamente do que o drone se move.

O projeto de foco, apresentado em 2021, teve uma excelente recetividade. Por conseguinte, os estudantes continuam agora a desenvolver o Prismav como parte dos seus projetos de licenciatura. Estão a otimizar o posicionamento automatizado, o cálculo da trajetória de voo e o software de controlo, estando ainda a integrar um sistema de controlo intuitivo. Isto faz todo o sentido, pois a potencial gama de aplicações é enorme. Por exemplo, os robôs de voo poderão, no futuro, realizar trabalhos em locais inacessíveis ou perigosos: apertar parafusos, montar andaimes, reparar linhas de alta tensão ou mesmo construir estruturas de proteção contra avalanches.