Os melhores projetos de robôs humanóides impressos em 3D de código aberto

Os robôs são um exemplo perfeito de como a eletrônica pode realizar trabalhos mecânicos com precisão e exatidão. Nas últimas décadas, o escopo e a definição de robôs se estenderam para longe dos domínios das tarefas mecânicas. Agora, imagina-se que os robôs automatizem tudo o que for possível, incluindo comunicação e inteligência. Uma causa por trás disso é uma tentativa de replicar as capacidades humanas em todos. O resultado do mesmo esforço são robôs humanóides.

Robôs humanóides são robôs construídos para se parecerem com um corpo humano. Esses robôs têm construção semelhante à humana e replicam movimentos cinemáticos e capacidades cinéticas semelhantes. Freqüentemente, os humanóides são projetados como robôs autônomos. Muitos robôs humanóides são controlados remotamente ou pré-programados. Assim como a dança, os robôs humanóides costumam ser pré-programados para exibir sequências de dança específicas. Os desenvolvimentos na área de robôs humanóides concentram-se principalmente em dois aspectos – um é imitar o movimento humano e o segundo é imitar a interação humana.

Neste artigo, discutiremos robôs humanóides e exploraremos alguns projetos humanóides de código aberto que entusiastas e engenheiros eletrônicos podem experimentar ou iniciar como ponto de partida. Os projetos humanóides de código aberto discutidos neste artigo usam peças impressas em 3D, portanto, seria necessária uma impressora 3D para iniciar qualquer um dos projetos mencionados. Mesmo uma impressora 3D econômica operacional com Cura ou outro fatiador 3D de código aberto será suficiente. Os projetos utilizam o mesmo microcontrolador ou plataformas de microcomputador que são usados ​​em projetos de hobby/embarcados.

O que é um robô?
O termo robô originou-se da palavra tcheca 'robota', que significa escravo ou item mecânico que ajudaria seu mestre. Um robô é um dispositivo automático que executa funções normalmente atribuídas aos humanos. O conceito de robótica, na verdade, evoluiu a partir de máquinas CNC. Ainda assim, um robô é muito diferente de uma máquina automatizada controlada numericamente (NC). A diferença está nas capacidades sensoriais do robô. Um robô é um dispositivo mecânico controlado por software que utiliza sensores para guiar um ou mais efetores finais através de movimentos programados em um local de trabalho, a fim de manipular objetos físicos. Ao contrário das máquinas automatizadas, os robôs são reprogramáveis ​​e dependem extensivamente da detecção do seu ambiente. Um fluxo de trabalho típico de um robô inclui essencialmente detecção, tomada de decisão e desempenho. Uma grande diferença entre robôs e máquinas CNC é que os robôs são projetados para serem máquinas autônomas. Esta definição se ajusta perfeitamente pelo menos ao que chamamos de robôs industriais.

O que é um robô humanóide?
Atualmente, os robôs humanóides não têm uma definição exata. Freqüentemente, robôs que possuem uma estrutura semelhante à humana ou robôs que imitam a interação humana são chamados de robôs humanóides. Porém, os robôs que têm rosto humano e são projetados para imitar a interação humana são um campo da robótica completamente diferente, mais focado no processamento de linguagem natural (PNL) e na inteligência artificial (IA), em vez da robótica mecânica típica. Seria melhor classificar os robôs humanóides como aqueles robôs semelhantes aos humanos e construídos para imitar a cinemática e o movimento humanos. Um robô humanóide é normalmente projetado para imitar andar, pular, segurar, pegar e colocar objetos, além de imitar gestos humanos.

Aplicações do robô humanóide
Atualmente, a robótica humanóide é um campo de pesquisa. Esta é uma área desafiadora e em evolução da robótica. Ao contrário dos robôs industriais, talvez você não encontre robôs humanóides implantados em indústrias ou aplicações de consumo. Robôs humanóides estão em desenvolvimento como projetos militares ou de engenharia.

Existem dois grandes desafios na robótica humanóide. Uma delas é imitar a flexibilidade e a dinâmica dos músculos humanos. Os músculos humanos são uma rede complexa de tecidos interconectados que estimulam e produzem movimento de maneira muito eficiente. A atual robótica humanóide depende de servos para imitar movimentos semelhantes. Obviamente, os servos têm suas próprias limitações como motores e não podem produzir exatamente a dinâmica que os músculos estimulam. Os músculos humanos também têm um papel definidor na manutenção do equilíbrio e da postura corporal. Obviamente, os servos por si só não têm nada a ver com balanceamento. Em robôs humanóides, o equilíbrio é mantido pelo projeto mecânico, posicionamento e operação de servos. Em segundo lugar, o movimento humano é guiado por visão e sentidos auditivos altamente capazes. Desenvolver capacidades semelhantes com câmeras e microfones é uma tarefa complicada.

Embora atualmente os robôs humanóides não tenham presença industrial ou de consumo. Os humanóides fazem parte da robótica e são frequentemente testados como robôs ambulantes ou projetos de robôs dançantes. Você pode encontrar robôs humanóides como brinquedos, robôs domésticos ou robôs de restaurantes. Algumas aplicações ativas da robótica humanóide podem ser encontradas na área de órteses e próteses. Assim que a robótica humanóide ultrapassar um marco, poderemos encontrar humanóides substituindo os humanos em todos os tipos de empregos, especialmente aqueles que representam um perigo para a vida humana. Você pode encontrar robôs humanóides realizando tarefas domésticas, operando como operários de fábrica, como mergulhadores ou como astronautas em uma missão espacial distante, sem a necessidade de um tanque de oxigênio.

Projetos humanóides de código aberto
A robótica humanóide é um campo desafiador. É necessário conhecimento de eletrônica, engenharia mecânica, física e programação de software para projetar e fabricar um robô humanóide. Um grande desafio na tomada desta iniciativa seria escolher um ponto de partida. Em teoria, fazer um robô humanóide pode ser uma tarefa difícil. Felizmente, existem alguns projetos de robôs humanóides de código aberto que valem a pena tentar. Esses projetos podem ser um ponto de partida em sua aventura robótica ou servir como projetos independentes. O bom desses projetos é que você não precisa projetar robôs do zero. Você obtém modelos 3D para peças de robôs que podem ser impressas em 3D e montadas de acordo com os guias fornecidos. Desta forma, você pode focar na programação da plataforma embarcada para conseguir implementar o máximo de cinemática ou resolver novos problemas de dinâmica.

Vamos agora discutir algumas das iniciativas de código aberto em robótica humanóide.

Projeto de robô humanóide InMoov

Projeto de robô humanóide impresso em 3D de código aberto InMoov

Exemplo de robô humanóide impresso em 3D de código aberto InMoov

InMoov é uma iniciativa pessoal do escultor e designer francês Gael Langevin. Começou como um projeto de código aberto em 2012 para mãos protéticas, levando a projetos como Bionics, E-Nable e outros. Atualmente, o InMoov é um projeto humanóide completo como um robô em tamanho real impresso em 3D. Todas as peças mecânicas do robô podem ser produzidas a partir de uma impressora 3D doméstica com tamanho de impressão de pelo menos 120x120x120mm.

O robô humanóide tem cabeça de 6 DOF, torso de 2 DOF, braços de 5 DOF, mãos de 16 DOF e pernas não motorizadas. Este humanóide é capaz de movimentos independentes da cabeça e dos olhos. Fazer este humanóide requer 2 Arduino Mega/Arduino UNO, 2 escudos de placa nervosa e 28 servos. Ele usa duas câmeras para rastreamento de rosto/objeto, dois alto-falantes para fala, 1 sensor Kinect para profundidade 3D e reconhecimento de gestos e um sensor PIR para detecção de presença. Todos os dedos do robô são motorizados.

Você pode construir este humanóide passo a passo, começando pelos dedos e progredindo pela mão e antebraço, bíceps, ombro e tronco, costas, cabeça, pescoço e mandíbula, olhos, parte superior do estômago, meio do estômago, parte inferior do estômago e, em seguida, finalmente, as pernas não motorizadas.

Se as peças forem impressas em 3D em casa e o quadro nervoso for preparado por você mesmo, o projeto pode não custar muito caro. Os arquivos SLT para as peças impressas em 3D podem ser encontrados na galeria inmoov.fr. Construir um humanóide completo requer a impressão de cerca de 57 partes diferentes. Muitos modelos 3D para InMoov também são contribuídos no ThingiVerse. Os componentes eletrônicos e suas conexões de circuito são fornecidos no mapa de hardware e na seção BOM. O InMoov pode ser programado usando o MyRobotLab. No entanto, ninguém está parando de ter sua própria programação Arduino personalizada utilizando peças InMoov e servo lógica.

A melhor coisa sobre este projeto humanóide é que ele é dividido em segmentos de acordo com partes humanas específicas, como dedos, mãos e braços, cabeças, etc. Assim, você pode fazer partes específicas deste humanóide em tamanho real de acordo com seu orçamento e progressão. Isso também permite brincar com a cinemática de peças específicas de maneira independente.

Explore este projeto humanóide em inmoov.fr.

O canal do YouTube de Gael Langevin tem alguns vídeos emocionantes do InMoov, o robô humanóide em tamanho real.

Projeto humanóide Poppy

Projeto de robô humanóide impresso em 3D de código aberto Poppy

Exemplo de robô humanóide impresso em 3D de código aberto Poppy

Poppy é outro robô humanóide impresso em 3D de código aberto. O projeto começou em 2012 no laboratório de Flores do Inria Bordeaux Sud-Ouest. Tudo começou durante o doutorado de Matthieu Lapeyre. Tese orientada por Pierre-Yves Oudeyer. Foi inicialmente financiado pelo ERC Grant Explorer. Agora, é administrado pela Poppy Station, uma organização sem fins lucrativos que promove Robótica e Inteligência Artificial. Este é um projeto conduzido pela comunidade com hardware, software e ferramentas da web compartilháveis. Na verdade, o projeto inclui três robôs – Poppy humanóide, Poppy torso, Poppy Ergo Junior, Poppy Heol, Poppyrate e Poppy braço direito. O projeto está disponível gratuitamente sob licenças de código aberto. No entanto, o uso do nome 'Poppy' é restrito e protegido como marca comercial internacional.

Todas as partes do robô são impressas em 3D. Os arquivos STL para peças impressas em 3D deste humanóide estão disponíveis no Github. Este humanóide pode ser construído em três partes: pernas bípedes, tronco e cabeça. O modelo humanóide completo requer 25 servos. O projeto usa atuadores inteligentes modulares chamados Robotis Dynamixel. Poppy é um humanóide de 25 DOF com uma coluna vertebral totalmente acionada. O robô pode ser programado para andar, interagir, dançar e realizar apresentações artísticas.

O Poppy Humanoid pode ser construído em Raspberry Pi 3/4 ou em uma placa Odroid. A maneira mais fácil de configurar o software Poppy Humanoid é instalar o sistema operacional Poppy pronto em um cartão SD. O sistema operacional pronto para uso está disponível no Github. As ferramentas de software para Poppy incluem Pypot, uma biblioteca Python para controlar robôs Poppy, repositórios específicos de robôs, um simulador de robô e uma interface de controle web. O Poppy Humanoid pode ser programado usando scratch, Python e Robot Operating System (ROS). O humanóide também pode ser controlado usando APIs do Robot. Uma versão simulada do Poppy pode ser testada usando dois softwares simuladores – CoppeliaSim (anteriormente denominado V-REP), uma plataforma de experimentação de robôs virtuais, e um visualizador web 3D, um simulador leve, mas sem suporte físico. Para controlar um robô Poppy simulado, é necessário Python 3.5 ou superior, biblioteca PyPot e bibliotecas python específicas do Poppy Humanoid instaladas em seu sistema de computador.

Simulador de robô Poppy

Exemplo de simulador de robô Poppy

Explore mais sobre Poppy Humanoid em poppy-project.org.

Você pode encontrar alguns vídeos emocionantes de Poppy Humanoid e outros robôs Poppy no canal do Poppy Project no Youtube.

Projeto humanóide RoboPrime

Projeto de robô humanóide impresso em 3D de código aberto RoboPrime

Exemplo de robô humanóide impresso em 3D de código aberto RoboPrime

Se você estiver interessado em construir um robô humanóide relativamente pequeno com um orçamento de US$ 60 a US$ 100, RoboPrime é um robô humanóide impresso em 3D de código aberto licenciado sob GPL 3.0. RoboPrime é uma iniciativa de Simone Primarosa. Este é um humanóide de 21 DOF construído em ATmega328P. O projeto foi desenvolvido por Simone como um projeto de ensino médio. O autor construiu o robô no Arduino Pro Micro, no entanto, qualquer Arduino com GPIO suficiente pode ser usado no local. O humanóide completo requer 21 servo motores MG90S 9G. Além disso, usa HC-05 para Bluetooth, MPU-6050 para aceleração e giroscópio e contador de décadas 74HC4017.

Todas as peças utilizadas na montagem deste humanóide são impressas em 3D. Os arquivos STL das peças impressas em 3D estão disponíveis na página Github do projeto. O diagrama de circuito e o firmware também estão disponíveis no mesmo link. RoboPrime é ótimo para iniciar um projeto humanóide do zero com um orçamento mínimo. Seria divertido modificar o firmware deste projeto para brincar com diferentes cinemáticas. O firmware já inclui código para caminhar, sentar e cumprimentar.

Este projeto humanóide de baixo custo pode ser um bom começo. Este projeto permite que você suje as mãos com código C de baixo nível. Este pode ser um caminho difícil, mas com muito aprendizado. Esta não poderia ser uma oportunidade melhor para compreender a física e a programação da robótica humanóide, implementando a teoria na prática.

A única desvantagem deste projeto humanóide de código aberto é que sua documentação só está disponível em italiano. Ainda assim, você tem o firmware e o código-fonte completo à sua disposição. Você pode examinar o código-fonte para desmistificar o funcionamento do código e do robô humanóide. Depois de decodificar o código-fonte, você pode encontrar ajuda em repositórios de código de outros projetos humanóides para fazer o RoboPrime dançar em suas próprias sequências. Você é livre para fazer mais contribuições para o projeto no Github e aprimorar este robô humanóide mais acessível e acessível.

Observe que este projeto humanóide não é mantido ativamente, então você pode precisar de muitos ajustes e brincadeiras. Ainda assim, o projeto é um robô humanóide funcional que pode ser melhorado e modificado.

Explore mais sobre RoboPrime no Github.

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