[001 ] Trata o presente relatório da descrição detalhada, acompanhada de figuras ilustrativas, de um inédito mecanismo de movimentação aplicado a um robô cobra {snake robot), o qual apresenta multi graus de liberdade de movimentos, controlado por meio da utilização de algoritmos e/ou tele operado, sendo o mesmo destinado ao acesso em espaços restritos e confinados, aplicações em geral e à realização de atividades inóspitas, incapazes de serem realizadas pelo ser humano.

Campo de aplicação e objetivo da invenção.

[002] O mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente, é um mecanismo eletromecânico rígido que integra um robô cobra capaz de ser introduzido em locais de difícil acesso, locais muito baixos e estreitos, espaços restritos e confinados, onde o homem não consegue chegar, ou ainda locais que oferecem riscos de operação ao ser humano, resultando em um robô cobra passível de rastejar tal qual este réptil. O equipamento pode ser utilizado como uma extensão e/ou alongamento {robô end-effector) para várias outras aplicações, como, por exemplo, extensão de braço robótico com multi graus de liberdade para ser utilizado na indústria aeronáutica, naval, automobilística, de energia, química, de defesa e segurança, na indústria em geral e na medicina.

[003] As possíveis aplicações na indústria automotiva são relacionadas ao uso de dois robôs cobra colaborativos, destinados a realizar solda ponta na linha de produção automotiva; na indústria de óleo e gás, para a inspeção de dutos e inspeção de vasos de pressão, no monitoramento e manutenção subaquática; na indústria de energia nuclear, para a inspeção da tubulação das plantas nucleares; na medicina, para as cirurgias minimamente invasivas, como retirada de material para biópsia e endoscopia ativa; na defesa e na segurança, para a manufatura e manutenção de espaços confinados e manipulação de combustível nuclear (submarinos), e na indústria naval, na manufatura e manutenção de navios em soldagens e inspeção estrutural; na indústria aeronáutica, para selagem interna de aviões em prendedores, adicionamento de prendedores e colocação de colar de fixação, retirada de objetos do interior da aeronave e retirada de combustível residual; e na indústria aeroespacial, na manutenção interna da nave especial, no hangar e na missão aeroespacial.

[004] O mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente, tem aplicação em inúmeras áreas de atuação, especialmente em espaços confinados e de difícil acesso, seja de forma isolada, como um robô cobra único, independente e controlado, seja como uma extensão de outros mecanismos robóticos, como braços e/ou tentáculos, resultando assim em um produto autoportante passível de operar engastado. De forma mais pontual, o robô pode ser utilizado para agricultura; construção civil; na indústria de alimentos; no processo produtivo de tabaco e outras folhas como chás; na indústria têxtil; indústria de papel e celulose; nas atividades de impressão em geral, como jornais e gráficas; na indústria química de petróleo, na indústria de base como produção de borrachas; indústrias de fabricação de materiais básicos e metais; produtos de concreto, vidro e couro; indústria de transportes, maquinaria e engenharia eletrônica; nos serviços de eletricidade, óleo e serviços sanitários; e ainda para operações marítimas e militares, entre inúmeras outras possibilidades.

Problema a ser resolvido.

[005] O mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente, visa resolver e superar os problemas que o estado da técnica atualmente apresenta, no que se refere à baixa velocidade de movimentação, baixa rigidez estrutural das juntas, baixa precisão de posicionamento, alta histerese entre comando e atuação, alta velocidade de resposta entre o comando e a atuação {backlash), baixo ângulo de movimentação dos elos e baixa manipulação de cargas {payload).

Estado da técnica.

[006] Os robôs cobra {snake robot) já são conhecidos no estado da técnica para diversas aplicações e têm sido desenvolvidos e utilizados em várias situações, nas universidades e institutos de pesquisa, como o Tokyo Institute of Technology (TIT), por meio dos trabalhos de Hirose (2009), o qual realizou vários projetos de robôs cobra, dos quais se pode destacar o projeto ACMR5, cuja contribuição principal foi um robô anfíbio. Este robô anfíbio possui movimentação por meio de atuadores elétricos que foram isolados do meio externo e de seus comandos sequenciais, de forma a ser possível realizar a movimentação terrestre e aquática do mecanismo.

[007] A Carnegie Mellon University (CMU), por meio do trabalho de Brown et al. (2007), propõe um robô cobra capaz de realizar avanços por meio de movimentos senoidais e rolamentos autocompensadores. A contribuição maior de seu trabalho é a capacidade do mecanismo de ser autónomo e de ser capaz de escalar tronco de árvores, com uma possível aplicação na inspeção de dutos.

[008] No laboratório de pesquisa norueguês SINTEF, foi desenvolvido um mecanismo com 20 (vinte) graus de liberdade e 3 (três) metros de extensão para extinção de focos de incêndios, denominado Anna Konda. A contribuição deste projeto está na utilização de válvulas hidráulicas para o acionamento do grau de liberdade das juntas.

[009] Da mesma forma que nas universidades e institutos de ensino, os robôs cobra também são muito utilizados na indústria. No campo industrial, pode-se destacar o trabalho realizado pela empresa britânica OC Robotics e a alemã Festo. A empresa britânica desenvolveu diversos protótipos para aplicações de manufatura aeronáutica, inspeções de dutos, cortes a laser e manipulação de produtos radioativos. A principal contribuição deste trabalho foi desenvolver um mecanismo acionado por meio de cabos de aço, tracionados por motores elétricos localizados na extremidade do robô antropomórfico.

[010] Já o projeto dos elos desenvolvidos pela empresa alemã Festo se assemelha a uma tromba de elefante, denominado de Bionic Handling System (FESTO, 2013). Os elos, desenvolvidos em polímeros flexíveis, apresentam cavidades internas que são preenchidas por ar comprimido de alta pressão, ocasionando sua expansão. Um sistema de acionamento de válvulas realiza o controle de vazão do ar comprimido, controlando o movimento longitudinal e rotacional da junta do elo. Para realizar o movimento longitudinal, aciona-se o preenchimento da cavidade de todos os elos e, para o movimento rotacional, realiza-se o preenchimento das cavidades que se pretendem tracionar.

[01 1 ] Também podem ser encontrados alguns documentos de patente que descrevem mecanismos e dispositivos de movimentação de robôs tipo cobra, porém nenhum destes mecanismos possui a configuração do aperfeiçoamento descrito nesta patente, para promover multi graus de liberdade, controlados por algoritmos e/ou teleoperados. Dentre esses documentos, podem-se destacar os seguintes:

[012] O documento de patente WO2014184791 , A ROBOTIC SUPPLY SYSTEM, o qual descreve um sistema de abastecimento robótico fornecido com uma ponta alongada para o fornecimento, através do mesmo, de material a um local remoto. A ponta inclui uma extremidade proximal configurada para ser ligada a uma fonte do material e uma extremidade distai para distribuir o material. O sistema de abastecimento robótico inclui ainda um arranjo robótico configurado para levar, pelo menos, a extremidade distai para o local remoto, sendo disposto de modo que a ponta seja acoplada ao mesmo, onde a ponta circunda, pelo menos, a maior parte da circunferência de, pelo menos, uma porção do arranjo robótico;

[013] O documento de patente WO2015172131 , SYSTEMS AND METHODS FOR MODULAR UNITS IN ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS, onde sistemas e métodos são fornecidos para um sistema eletro-mecânico. Um sistema inclui uma pluralidade de módulos ligados. Um primeiro módulo dos módulos inclui um atuador para prover movimentos no sistema eletro-mecânico e um processador de dados configurado para detectar um estado de movimento do primeiro módulo e para comandar o atuador para modificar o estado do primeiro módulo;

[014] O documento de patente KR101485099, SNAKE-LIKE ROBOT IN WATER, o qual descreve um robô serpente subaquático que inclui, na parte interna, uma peça de ligação e uma caixa estanque. A parte interna comum inclui uma pluralidade de unidades; a peça de ligação inclui uma pluralidade de unidades de articulação para as unidades mutuamente adjacentes e respectivamente de ligação; e o revestimento impermeável cobre a parte conjunta interna e a parte de conexão, formando rugas ao ser dobrado, sendo conduzido para ser dobrado na mesma direção horizontal, como a parte interna comum que recebe um sinal de conversão direcional e executa um movimento de articulação horizontal. [015] O documento de patente CN20422301 1 U, SNAKE-LIKE ROBOT, descreve um modelo de utilidade de um robô cobra. O robô cobra compreende uma cabeça de cobra, seis células e juntas, rodas de movimentação, cilindros hidráulicos de atuação, eixos universais em cruz, uma cauda de serpente, uma câmera e um painel de controle central, onde o final da cobra é conectada com um suporte da junta, através de um eixo universal em cruz; cada célula de juntas estão ligadas através de um eixo universal em cruz, respectivamente; a cauda de cobra está ligada com o invólucro da junta final, através de um eixo transversal universal; um cilindro hidráulico é articulado e disposto em cada célula da junta; três rodas são dispostas sobre a face lateral externa de cada célula de articulação; a câmara encontra-se fixamente disposta em uma posição em frente à cabeça de cobra; o painel de controle central está disposto na cabeça da cobra; os cilindros hidráulicos de atuação e condução e a câmara estão conectadas com o painel de controle central.

[016] O documento de patente CN203875899U, SEGMENT UNIT OF MULTI- SEGMENT SNAKE ROBOT, descreve um modelo de utilidade que se refere a uma unidade de segmento de uma cobra robô de múltiplos segmentos, pertencente ao campo dos robôs e também a um método de criação de um segmento de corpo para uma cobra robô de múltiplos segmentos. Dois motores de direção são dispostos dentro de um módulo de potência (2) do segmento corporal. As hastes de saída dos motores de direção são perpendiculares umas às outras. Uma fonte de alimentação (4) alimenta os motores de direção. Um conector (1 ) compreende um corpo conector circular e dois conjuntos de braço de ligação dispostos em dois lados do corpo do conector, respectivamente; o conector (1 ) está ligado a um eixo do módulo de alimentação (2) através de uma saída de ligação do conjunto de braço; os conjuntos de braços de ligação livres em um segmento do corpo, por trás, estão ligados com o outro eixo do módulo de potência do primeiro segmento do corpo de saída.

[017] O documento de patente CN104669255, SPIRAL PROPULSION VARIABLE FORM SNAKE-SHAPED ROBOT refere-se a uma forma variável de robô em forma de serpente espiral de propulsão que compreende um corpo celular em espiral (1 ). Quatro corpos em espiral (1 ) estão em um grupo; dentes em espiral são dispostos em cada corpo espiral; os sentidos de rotação dos dentes em espiral da espiral de duas células (1 ), de dois lados, são iguais e opostos às duas células em espiral (1 ) do meio; uma junta universal está disposta entre dois revestimentos em espiral adjacentes (1 ); um eixo oco (9) está disposto em cada célula de espiral (1 ) e as extremidades dos eixos ocos (9) estão ligadas a suportes de mecanismos de direção (1 1 ) por meio de eixos de ligação (10) ocos; motores redutores (7) são fixados com os eixos ocos (9), engrenagens exteriores (6) acionadas pelos motores redutores (7) são acopladas às engrenagens interiores (8) fixadas às paredes interiores das células em espiral (1 ).

[018] O documento de patente CN101716960, SNAKE ROBOT DRIVEN BY ROPES, na qual a invenção revela um robô serpente dirigido por cordas, o qual compreende várias seções de corpos de serpentes; os corpos de serpentes compreendem uma estrutura básica, cordas e uma unidade de energia, em que as cordas ficam sobre a estrutura básica do externo para o interno, em seguida, para o exterior e formam uma estrutura de corda fechada na parede externa; uma seção do cabo, na parede interna da estrutura de base, está ligada com a unidade de alimentação; a estrutura da corda é acionada pela unidade de potência de movimentação que é um mecanismo de guia está disposto no ponto da extremidade da estrutura de base através da qual as cordas passam; e o mecanismo de guia é assegurar que a estrutura de corda mantenha a direção do movimento idêntico na parede exterior do quadro da base;

[019] O documento de patente PI 0207104-5, BRAÇO ÓTICO PARA CONDUZIR UM RAIO LASER, EM BRAÇOS DE ROBÔ, no qual o braço ótico objetivo desta invenção consiste em uma primeira parte tubular curvada, montada para que se tenha a possibilidade de rotação na descarga do gerador de laser fixado ao terceiro braço do robô, de uma segunda parte tubular curvada montada para que se tenha a possibilidade de rotação em alguns meios de suporte fixado ao quarto braço do robô, de guias que fixam as duas partes tubulares curvadas mencionadas acima, permitindo seus movimentos e assegurando a permanência das respectivas descargas e entradas em posições opostas durante a rotação do quarto braço do robô, de um elemento tubular de extensão que une as descargas e as admissões das partes tubulares acima mencionadas que delimitam a área de passagem do raio luminoso, de uma terceira parte tubular curvada que é fixa à segunda parte curvada, sendo que a sua entrada se situa em ponto oposto à descarga desta segunda parte curvada e sua descarga se situa de forma coaxial em relação ao quinto eixo de rotação do robô, uma parte tubular com três curvas consecutivas, sendo que a admissão é montada de modo coaxial, com possibilidade de rotação, na descarga da terceira parte curvada e com sua descarga colocada paralela ao sexto eixo de rotação do robô; recursos para fixar a parte equipada com três curvas consecutivas ao quinto braço do robô, permitindo sua rotação ao redor da descarga de suas partes curvadas, de um comprimento tubular reto montado de maneira coaxial na descarga da parte com três curvas consecutivas, um suporte para fixação do comprimento tubular, relativo ao quinto braço do robô, sem possibilidade de rotação, uma parte de descarga montada de modo coaxial, com a possibilidade de rotação, no comprimento tubular e alguns meios para transmitir o movimento de rotação do sexto braço do robô para a parte de descarga.

[020] O documento de patente PI 102012031478-9, BRAÇO ROBÓTICO MONTÁVEL DE LANÇA, a presente invenção refere-se a um braço robótico montável para incluir uma alavanca pivotavelmente montada em um adaptador de montagem de lança, pelo menos dois pinos de suporte eletricamente isolados montados e espaçados ao longo da alavanca, e pelo menos um primeiro acoplamento de rotação e uma pluralidade de segundos acoplamentos de rotação. O primeiro acoplamento de rotação fornece montagem pivô da alavanca sobre o adaptador de montagem de lança, de modo a prover rotação seletivamente controlável da alavanca em um plano substancialmente vertical. Os segundos acoplamentos de rotação fornecem rotação seletivamente controlável dos pinos de suporte eletricamente isolados em torno dos correspondentes segundos eixos de rotação entre uma posição retraída substancialmente nivelada ao longo da alavanca, e uma posição de captura pronta para receber um condutor sendo suportado. Uma ligação do tipo tesoura atuada é montada para a alavanca e o adaptador de montagem de lança para ajustar seletivamente uma posição angular da alavanca em relação ao adaptador de montagem de lança. [021 ] O documento de patente WO2006136827, ROBOTIC ARM COMPRISING A PLURALITY OF ARTICULATED ELEMENTS AND MEANS FOR DETERMINING THE SHAPE OF THE ARM, descreve um braço robótico compreendendo uma pluralidade de elementos articulados (12) e meios de controle (6) para controlar a posição de vários elementos (12a, 12b, 12c) através do acionamento de cabos de aço de forma que o braço possa adotar a forma de serpentina para o movimento do elemento seguinte. Meios (2) para medir diretamente as posições relativas de pelo menos alguns dos elementos são proporcionados de modo a calcular o desvio a partir da forma teórica, e aplicar correções para os meios de controle do braço. Apesar de bem desempenhar suas funções, a grande desvantagem dessa anterioridade é a limitação de seu trabalho engastado principalmente quando submetido a movimentos maiores.

Descrição das figuras.

[022] A seguir faz-se referência às figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê:

Figura 1 mostra um esquema em perspectiva do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente, destacando todos os seus detalhes de configuração e movimentação multi graus de liberdade.

Figura 2 mostra outro esquema em perspectiva do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente, destacando todos os seus detalhes de configuração e movimentação multi graus de liberdade.

Figura 3 mostra outro esquema em perspectiva do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente.

Figura 4 mostra um esquema do detalhe ampliado de perspectiva do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente.

Figura 5 mostra um esquema da vista lateral do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente.

Figura 6 mostra um esquema da vista superior do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente, destacando a parte interna do pistão de atuação de movimentação. Figura 7 mostra um esquema da vista superior do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente.

Figura 8 mostra um esquema da vista superior da junta de movimentação do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente.

Figura 9 mostra um esquema em perspectiva da junta de movimentação do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente.

Figura 10 mostra o robô cobra {snake robot), objeto da presente patente em uso rotacional.

Figura 11 mostra o robô cobra {snake robot), objeto da presente patente em uso engastado.

Figura 12 mostra o robô cobra {snake robot), objeto da presente patente em uso linear.

Descrição da invenção.

[023] Em seguida, descreve-se uma forma preferencial não restritiva de realização do presente mecanismo, objeto desta patente, onde a configuração e a aplicação podem variar na forma adequada para cada modelo desejado, descrevendo uma das possibilidades construtivas que levam a concretizar o objeto descrito e a forma como o mesmo funciona.

[024] O mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot) (1 ), objeto da presente patente, trata-se de um mecanismo de movimentação para ser utilizado em um robô tipo cobra, o qual apresenta multi graus de liberdade na sua movimentação, com o mesmo sendo controlado através de algoritmo próprio ou tele operado, sendo composto por duas juntas ortogonais entre si (3) e alternadamente simétricas, de suporte de sustentação e movimentação xyz, o qual compõe um redutor planetário que pode ser um mecanismo de engrenagens simples, com prato e engrenagens, ou qualquer outro modelo de redutor planetário semelhante que atenda aos graus de liberdade de movimentação desejados, com o mesmo contendo pelo menos duas polias (8) de ligação com pelo menos dois motores elétricos, suportes de atuadores (10) e suportes de motores (9), dispostos entre dois corpos anelares ou cilíndricos (2), com acionamento do movimento realizado através de pelo menos dois motores (6) de alto torque elétricos (motores brushless) ou motores piezelétricos, com os mesmos contendo um encoder de alta resolução com hardware de controle de velocidade (4) e um freio elétrico (5), onde pelo menos um encoder (4B) é utilizado para corrigir e minimizar o erro de posição, e sendo dispostos ao longo dos corpos anelares ou cilíndricos (2), em combinação com pelo menos dois atuadores de pistão (7) pneumáticos ou hidráulicos, também dispostos ao longo dos corpos anelares ou cilíndricos (2).

[025] No mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot) (1 ), objeto da presente patente, um segundo encoder é utilizado para corrigir e minimizar o erro de posição causado na transmissão de torque do eixo motor, engrenagem e rigidez dos elos. Como se trata de um encoder mais próximo do ponto de aplicação do torque, os ângulos são diretamente medidos e enviados para o sistema de controle, aumentando a precisão e velocidade de controle de posição.

[026] O mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot) (1 ), objeto da presente patente, através da utilização de várias repetições do mesmo em sequência, compõe um robô cobra formado por conjuntos de elos de corpos anelares ou cilíndricos, confeccionados em metal, fibra de vidro ou de carbono capazes, polímeros, ou qualquer outro material, revestido ou não, que responda ao requisito de rigidez, densidade, isolação, dureza e/ou flexibilidade entre outras propriedades exigidas para as aplicações a que se destina, podendo ser opaco ou transparente, que se movimentam em dois sentidos de rotação, perpendiculares ao sentido de translação do movimento, e, devido ao acionamento híbrido dos motores elétricos brushless (ou piezelétrico) e dos acionadores pneumáticos (ou hidráulicos), conforme o software ou algoritmo utilizado, é possível o aumento das cargas e a variação dos ambientes de trabalho onde for utilizado ou envolvido.

[027] O acionamento elétrico realizado através de motores brushless ou motores piezelétricos oferece maior velocidade, maior torque por peso e melhor rigidez na estrutura do robô. Este acionamento combinado com os atuadores pneumáticos ou hidráulicos, quando utilizados nas aplicações que possam exigir maior carga de movimentação, impede a perda de velocidade de resposta no posicionamento. Essa combinação permite a diminuição de folgas

{backiash) de movimentação e maior rigidez das juntas e nos elos.

[028] O encoder de alta resolução oferece melhor resolução e, consequentemente, melhor precisão de controle de posicionamento.

[029] Os redutores planetários {Harmónio Dríves®) ou similares proporcionam menos folgas {backiash) de resposta e aumento da rigidez das juntas, além de maior relação torque/ peso.

[030] A montagem do mecanismo de movimentação de robô cobra {snake robot), objeto da presente patente, com várias peças em sequência, compõe um robô cobra {snake robot) (1 ) que pode ser adaptado em algum dispositivo que permita a translação, como por exemplo: um robô e guias lineares, e ainda ser acoplado na ponta do robô industrial, ou para robôs de outras aplicações, como sistemas de movimentação rotacional, sistemas com guia linear ou trilho, robôs cobra adaptados em sistemas móveis guiados.

Vantagens

[031 ] Desta forma, a disposição introduzida em mecanismo de movimentação de robô cobra, objeto da presente patente, descreve um conjunto de mecanismos para movimentação com multi graus de liberdade, aplicado a robôs cobra, conforme descrito acima, apresentando uma configuração nova e única que lhe configura grandes vantagens em relação aos mecanismos atualmente utilizados e encontrados no Estado da Técnica. Dentre essas vantagens, podem-se citar: o aumento da velocidade de movimentação; o aumento da rigidez estrutural das juntas do robô; o aumento da precisão de posicionamento; a eliminação de histerese entre o comando e a atuação; a redução das folgas {backiash) entre o comando e a atuação; uma maior movimentação angular dos elos, com possibilidade de atingir até +/-120 graus por junta e uma maior capacidade de movimentar peso.

[032] Assim, pelas características de configuração e funcionamento acima descritas, pode-se notar claramente que o APERFEIÇOAMENTO EM MECANISMO DE MOVIMENTAÇÃO DE ROBÔ COBRA trata-se de um mecanismo novo para o Estado da Técnica, o qual reveste-se de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Modelo de Utilidade.