
\section{Busca e Salvamento por Robôs}

%Um dos ramos clássicos da robótica é a sua vertente móvel. Principalmente baseada na biologia, esta vertente tem vindo a permitir a robôs de diversos tamanhos movimentarem-se em terra, ar e água. Qualquer um desses meios e formas de locomoção possibilitam diferentes abordagens para operações de busca de sobreviventes, resultantes de diferentes acidentes ou catástrofes.

Para poder utilizar robôs em operações de busca e salvamento é necessário entender os ambientes e cenários característicos dos desastres. 

Dadas a  variedade de desastres possíveis de acontecer, existe também uma grande diversidade no tipo de ambientes sinistros.  A maior diferença entre os tipos de ambiente ocorre entre os desastres em meio aquático e em meio terrestre. Sendo o objectivo do projecto desenvolver um protótipo de reconhecimento e exploração de terreno, não é estudado o ambiente aquático.

Em terra, a diversidade de potenciais desastres pode também provocar diferentes tipos de ambientes. Contudo, dada a maior ocorrência de acidentes em ambiente urbano e a maior concentração da população nestas áreas, é dado maior destaque à caracterização deste tipo de paisagem. As operações neste tipo de ambiente são denominadas de Busca e Salvamento Urbano (USAR - Urban Search and Rescue).

Estes locais são caracterizados por escombros e derrocadas, entre outros. Os terrenos são instáveis e não há informação sobre a sua geometria. O ambiente é normalmente contaminado por fumos, pó, água e, por vezes, gases tóxicos. Os terrenos podem variar entre arenosos, lisos, lamacentos e outros. O leque de temperaturas pode variar entre temperaturas baixas a extremamente frias. A área é também sujeita a qualquer condição climatérica, muitas das vezes sob situações adversas. Devido a substâncias tóxicas e gases, muitos dos ambientes têm um grande risco de explosão. Sendo uma plataforma capaz de se movimentar por este tipo de ambiente, pode, à partida, ser também considerada apta de operar noutros tipos de ambientes.

Sendo os robôs de busca e salvamento considerados como veículos não tripulados, é possível dividi-los em quatro grupos: robôs de campo, aéreos, subaquáticos e de superfície. Estes grupos são frequentemente denominados de UGV, UAV, UUV e USV respectivamente, sigla da expressão inglesa para \textit{unmanned ground vehicles}, \textit{unmanned aerial vehicles}, \textit{unmanned underwater vehicles} e \textit{unmanned surface vehicles}. A tabela \ref{tab:hist} resume a utilização de robôs em operações de busca e salvamento e a tabela \ref{tab:hist2} o teste de robôs após as buscas serem completas. As classes dimensionais referidas nas tabelas serão descritas à frente. \cite{Springer}

\begin{table}[hbtp]
\centering
\caption{Robôs utilizados em operações de busca e salvamento de acordo com o seu tipo e classe dimensional}
\begin{tabular}{l l c c c} 
\hline 
\textbf{Ano} & \textbf{Incidente} & \textbf{UAV} & \textbf{UGV}\\
\hline
2001 & World Trade Center, New York, USA  &  & Transportável    \\
     &                                    &  & Portátil         \\
2005 & Deslizamento de La Conchita, California, USA &  & Transportável   \\
2005 & Furacão Katrina, Nova Orleães, USA & Transportável &    \\
2005 & Furacão Rita, Florida, USA         & Transportável &    \\
2005 & Furacão Wilma, Florida, USA        & Maxi &  &  \\
2006 & Explosão de Sago Mine, West Virginia, USA &  & Maxi  \\
\hline
\end{tabular}
\label{tab:hist}
\end{table}

\begin{table}[hbtp]
\centering
\caption{Robôs testados após operações de busca e salvamento de acordo com o seu tipo e classe dimensional}
\begin{tabular}{l l c c c} 
\hline 
\textbf{Ano} & \textbf{Incidente} & \textbf{UAV} & \textbf{UGV} & \textbf{USV}\\
\hline
2001 & World Trade Center, New York, USA  &  & Transportável &   \\
     &                                    &  & Portátil      &   \\
2004 & Terramoto de Niigati Chuetsu, Japão & Portátil &  &   \\
2005 & Furacão Katrina, Nova Orleães, USA & Portátil &  &  \\
2005 & Furacão Wilma, Florida, USA        & Transportável &  & Maxi \\
\hline
\end{tabular}
\label{tab:hist2}
\end{table}

Visto o projecto em causa se debruçar sobre a busca e salvamento urbano não são estudados todos os tipos de robôs existentes.

Existem duas vertentes na procura de sobreviventes depois de uma catástrofe: sobrevoar a região afectada ou procurar em terra, por entre escombros. Nestas vertentes são utilizados os robôs aéreos e os robôs de campo. A primeira vertente é principalmente utilizada na fase inicial de localização de zonas afectadas, podendo ser  utilizados os robôs aéreos. Depois de delimitadas as áreas com maior probabilidade de existência de vítimas, é necessário a sua localização.

Os robôs de campo destinados a USAR devem poder navegar evitando as zonas mais acidentadas, logo dotados de grande manobrabilidade. São ainda obrigados a ultrapassar situações como passagens estreitas, rampas, escadas, amontoados de materiais de construção desfeitos, onde um dos maiores trunfos é a flexibilidade. \cite{Jacoff}

Para além de auxiliar na localização de vítimas, os robôs podem ainda ser utilizados para procurar caminhos nos escombros e seleccionar os locais de escavação, inspecção estrutural de áreas com risco de ruir, detecção de contaminação por substâncias tóxicas ou explosivas. Variantes de robôs são desenhados de forma a prestar assistência ou realizar tarefas de remoção de escombros. Podem ainda ser projectados de forma a prestar assistência médica no local a vítimas localizadas, ou a ajudar as equipas especializadas nessa missão. Por fim, outra potencial tarefa de robôs em operações de busca e salvamento é o reforço das linhas de comunicação entre as várias equipas, podendo assim melhorar a sua organização.


\subsection{Classes Dimensionais}

Segundo Murphy\cite{Murphy1, crasar_pag}, os robôs de busca e salvamento podem ser divididos em quatro grupos, de acordo com as suas dimensões: portáteis micro, portáteis mini, transportáveis e maxi.
As diferentes categorias visam cumprir a procura de vítimas em diferentes situações. A tabela \ref{tab:dimensoes} resume os locais de trabalho aos quais grupos dimensionais estão melhor adaptados. A indicação \textgravedbl++\textacutedbl~  indica bem adaptado e a \textgravedbl-\textacutedbl~ indica não adaptado.

\begin{table}[hbtp]
\centering
\caption{Relação entre as classes dimensionais e as localizações de operação}
\begin{tabular}{l c c c} 
\hline 
\textbf{Classe} & \textbf{Zonas} & \textbf{Zonas} & \textbf{Zonas}\\
 & \textbf{Estruturadas} & \textbf{Confinadas} & \textbf{ Sub-Humanas}\\
\hline
Portáteis Micro & + & ++ & ++ \\
Portáteis Mini & ++ & ++ & +\\
Transportáveis & ++ & - & -\\
Maxi & - & - & -\\
\hline
\end{tabular}
\label{tab:dimensoes}
\end{table}


\subsubsection{Maxi}

Os robôs de busca e salvamento de classe maxi são usados em zonas estruturadas, prestando auxílio às equipas no local. São normalmente apenas teleoperados, não dotados de qualquer tipo de autonomia, funcionando principalmente como ferramentas de limpeza e remoção de escombros, e outras tarefas  pesadas para o homem. Além disso, robôs pertencentes a esta classe dimensional são também utilizados para aceder a zonas com ambientes perigosos.

O T-52 Enryu (figura \ref{fig:robomaxi} (a)), desenvolvido pela Universidade de Kyoto, pelo Departamento de Gestão de Incêndios e Desastres de Kitakyushu e pelo Instituto Nacional de Investigação de Incêndios e Desastre Japonês é um exemplo de um robô desta classe dimensional. Este foi desenvolvido com o propósito de ajudar na remoção de material, de forma a poder resgatar vítimas. Tem 3,45m de altura e 2,4m de largura e pesa cerca de 5 toneladas. Pode ser controlado tanto por um navegador como por um operador remoto. Devido às suas proporções, é possível movimentar objectos de grandes dimensões e massa. Além disso, quando operado remotamente pode aceder a áreas que de outra forma seriam demasiado perigosas para trabalhar. \cite{Shiro}


\begin{figure}[hbtp]
\centering 
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/T-52Enryu.eps,width=60mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/ANDROS.eps,width=60mm}}
}
\centering 
\caption{Robôs da classe maxi: T-52 Enryu da Universidade de Kyoto (a), Remotec ANDROS Wolverine (V2) da US MSHA (b).}
\label{fig:robomaxi}
\end{figure}

O projecto Remotec ANDROS Wolverine (figura \ref{fig:robomaxi} (b)) desenvolvido pela Administração para a Segurança e Saúde de Minas do Departamento do Trabalho dos Estados Unidos é exemplo de um robô da classe maxi. Este robô, apelidado de V2 tem cerca de 127cm de altura e pesa mais de 500kg. O V2 é operado remotamente, tendo sido desenvolvido para trabalhar em acidentes em minas, dotado de câmaras, iluminação, detectores de gases, capacidade de visão nocturna, comunicação audio, e um braço manipulador. Este robô permite efectuar operações de exploração ou regate em minas, comunicando com o operador através de um cabo de fibra óptica. Assim, o operador tem acesso em tempo real a diversas informações, incluindo vídeo, audio, concentrações de gases tóxicos e combustíveis, entre outras. Por fim, o V2 está ainda dimensionado de forma a poder resistir a explosões sem pôr em risco a sua integridade.

O Remotec ANDROS Wolverine foi utilizado em 2006, nas buscas de salvamento após o desastre de Sado Mine em 2006.
\cite{Springer, MSHA}

\subsubsection{Transportáveis}

Com dimensões muito reduzidas quando comparados com os maxi, os robôs da classe transportável são também usados no mesmo tipo de tarefas. Contudo, graças à sua maior mobilidade, podem ser movimentados para zonas de difícil acesso. Os robôs desta classe são principalmente usados em ambientes contaminados com substâncias tóxicas. Para além disso, são ainda utilizados em operações especiais como por exemplo o desarmamento de explosivos.

O PackBot 510 da empresa americana iRobot é exemplo de um robô da classe transportável. Tem uma altura de 40cm, comprimento entre 80cm a 1m e largura entre 40 a 55cm, conforme a configuração. O robô tem um peso de cerca de 30kg, e uma capacidade de carga de 20kg. É dotado de um braço mecânico capaz de se elevar a uma altura de 2,2m. O PackBot foi desenvolvido para prestar auxílio a equipas policiais no desarme de bombas, inspecções, e limpeza de percursos. Contudo, visto ser um produto comercial, dotado de inúmeros acessórios e facilmente adaptável, pode também ser utilizado nas operações mais clássicas da busca e salvamento. De forma a ser operado, está equipado com diversas câmaras, utilizadas não só para obter informação acerca do ambiente mas também sobre o estado do próprio robô. \cite{PackBot2, PackBot}

\begin{figure}[hbtp]
\centering
\epsfig{file=introducao/imagens/PackBot.eps,width=80mm}
\caption{Robô de classe transportável: PackBot da iRobot}
\label{fig:robopack}
\end{figure}

\subsubsection{Portáteis}

Sendo mais pequenos que os robôs de classe transportável, a principal diferença dos modelos da classe portátil é poderem ser transportados, juntamente com todo o hardware necessário para a sua utilização, pelo homem em mochilas ou malas da transporte. Essa característica torna-se útil uma vez que facilita a colocação dos sistemas robóticos em operação no local. Desta forma, este tipo de robôs é principalmente utilizado para a busca de sobreviventes e inspecção estrutural no período imediatamente a seguir ao desastre. Podem ser assim dos mais propícios a contribuir de forma útil para as missões em que se envolvem.

A maioria dos robôs de busca e salvamento pertence à classe portátil. Dentro destes, o  grupo preponderante é de tamanho mini, principalmente devido às limitações mecânicas. Estes são capazes de se movimentar por entre escombros e destroços, enviando informação para um operador remoto. Visto terem dimensões mais reduzidas, permitem aceder a espaços mais confinados, por vezes com dimensões sub-humanas.

\label{sec:snoopy}
Os projectos Snoopy (figura \ref{fig:robomini} (a)) e Medusa desenvolvidos pela Universidade de Carnegie Mellon ilustram o conceito de robôs de busca e salvamento portáteis mini. Estes robôs são dotados de uma câmara montada numa haste hiper-redundante, constituída por diversos elementos ligados por uma junta actuada com dois graus de liberdade. Com este sistema é possível obter imagens de locais muito estreitos, não acessíveis por outros sistemas. O robô é montado numa base de um carro de modelismo, capaz de se movimentar por terrenos irregulares. Foi ainda adicionada uma segunda câmara montada num sistema \textit{pan and tilt} para ser utilizada na navegação. \cite{snoopy}

\begin{figure}[hbtp]
\centering 
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/snoopy.eps,width=60mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/raposa.eps,width=60mm}}
}
\centering 
\caption{Robôs de classe portátil mini: Snoopy da Universidade de Carnegie Mellon (a), Raposa do Instituto Superior Técnico (b).}
\label{fig:robomini}
\end{figure}

\label{sec:raposa}
O Projecto Raposa (figura \ref{fig:robomini} (b)) desenvolvido pelo Instituto Superior Técnico é também exemplo de um robô de classe portátil mini, sendo também um dos poucos projectos robóticos de busca e salvamento em Portugal. O robô tem um comprimento máximo de 75cm e largura de 37cm, com a sua configuração de maiores dimensões. A sua altura é de 17,5cm, tendo uma altura ao solo de 3cm. O peso do robô é de 27Kg com todos os acessórios e baterias, potencializando uma velocidade máxima de 0.5m/s. Uma das principais características deste robô é ser constituído por dois módulos ligados por uma junta rotacional actuada. A articulação desta junta possibilita ajustar a geometria do robô de forma a superar uma maior diversidade do obstáculos. Além disso, a sua locomoção por meio de lagartas é propícia aos terrenos irregulares, e o facto de ser simétrico em relação a um plano de topo possibilita o funcionamento invertido. Este robô está equipado com 4 câmaras, sendo uma delas térmica, microfone e colunas, iluminação, sensores de temperatura, humidade e gases, sendo por isso versátil no número de operações que pode realizar. Além disso, é alimentado por 3 baterias de 5Ah, conseguindo uma autonomia de 2 horas. \cite{Raposa}

%\vspace{1em}

Também pertencentes à classe portátil, os robôs de menores dimensões são denominados micros. Estes devem não só poder locomover-se por entre os escombros, mas também aceder a zonas sub-humanas\footnote{Zonas de acesso impossível ao Homem devido às dimensões reduzidas.}, deslocando-se por túneis, condutas, cavidades, e outros espaços confinados. São muitas vezes utilizados em operações verticais, por exemplo suspensos por cabos.

Um dos maiores problemas para os robôs pertencentes a esta classe é ultrapassar os obs-táculos. Uma vez que são pequenos, um obstáculo médio (por exemplo escadas) torna-se grande quando comparado com as pequenas dimensões dos robôs. Além disso, de forma a manter as proporções reduzidas, adiciona-se também o problema de albergar todos os sistemas necessários à movimentação e percepção do robô.

Existe também uma outra vertente de robôs, cuja geometria é baseada no corpo de cobras, que também pode ser considerados como de classe portátil micro. São descritos na secção  \ref{sec:cobra}. Estes, apesar de terem uma dimensão de grande extensão, têm uma área de projecção frontal reduzida permitindo-lhes operar nos mesmos locais que os restantes robôs desta classe. Contudo, é necessário ter em conta que o seu transporte deve cumprir os requisitos de poder ser feito sem meios mecânicos. Caso contrario, são considerados de classe transportável.

O Personal Exploration Rover (PER) (figura \ref{fig:robomicro} (a)) desenvolvido pela Universidade de Carnegie Mellon é um dos mais conhecidos robôs de classe micro. Este robô foi concebido com objectivos académicos, tendo como base os robôs de exploração planetária enviados para Marte pela NASA. Não sendo verdadeiramente um robô de busca e salvamento, é uma plataforma versátil quando comparada com o seu tamanho. Desta forma, pode servir como base ao estudo de aplicações robóticas de busca e salvamento. O robô tem aproximadamente 36cm de altura, 33cm de comprimento e 34cm de largura, e um peso de cerca de 7kg. De forma a movimentar-se é equipado com 6 rodas montadas em hastes de forma a assumirem um comportamento de suspensão. A sua direcção é controlada através da regulação do ângulo de duas das rodas. A sua percepção é baseada numa câmara e um sensor infravermelho de distância montados num sistema de \textit{pan and tilt}. \cite{PER, PERVASIVE}

\begin{figure}[hbtp]
\centering 
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/per.eps,width=60mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/versatrax.eps,width=60mm}}
}
\centering 
\caption{Robôs de classe portátil micro: Personal Exploration Rover da Universidade de Carnegie Mellon (a), Versatrax 100 da Inuktun (b).}
\label{fig:robomicro}
\end{figure}

O robô Versatrax 100 (figura \ref{fig:robomicro} (b)) da empresa Inuktun foi desenvolvido como ferramenta para inspecção de condutas e prova também ser versátil como robô de busca e salvamento de classe micro. O robô e sistema de controlo pesam apenas cerca de 9kg e permite operar em cavidades (preferencialmente condutas) a partir dos 10cm de diâmetro. É equipado com uma câmara a cores, \textit{pan and tilt} e iluminação, permitindo inspeccionar até 180m de túneis. De forma a ajustar-se ao local de locomoção, o Versatrax tem a capacidade de variar o ângulo e a distância entre os seus sistemas de lagartas. \cite{Inuktun}


\subsection{Características Necessárias}

Segundo o sítio do CRASAR (Center for Robot Assisted Search \& Rescue) orientado pela investigadora Robin Murphy\cite{crasar_pag}, existem diversas características necessárias para os robôs de campo de busca e salvamento urbano. Apesar de não obrigatórias, estas características devem ser levadas em conta de modo a que os robôs projectados possam realizar as tarefas a que se propõem. É de relevar que não deve apenas ter-se em conta as características do robô mas também de todo o sistema que o permite operar.

\subsubsection{Sistema Robotizado}

Considera-se um sistema robotizado o grupo do robô e todo o \textit{hardware} necessário para o operar. Um sistema robotizado pode ser constituído por: robô, unidade de controlo, contentor ou mala de transporte, equipamento e ferramentas, peças sobressalentes, etc. Um sistema é normalmente utilizado por um mínimo de dois operadores.

O sistema deve ser empacotado de forma a possibilitar o transporte aéreo e rodoviário num único grupo. %De forma a poder ser transportado via aérea sem tarifas adicionais deve respeitar ainda as normas de conceito de volumes\footnote{em classe económica: máximo de 2 volumes  cujas dimensões de cada volume devem ser inferior a 158cm lineares e o seu peso menor que 23kg por bilhete emitido} e conceito peso\footnote{em classe económica: máximo de 20 a 30kg (dependendo do destino) por bilhete emitido}. O volume de mão deve também respeitar as normas associadas\footnote{em classe económica: máximo de 1 volume cujas dimensões sejam inferiores a 115cm lineares e peso menor que 6kg} ao transporte aéreo.\cite{TAP2, TAP1}  Ambos os conceitos devem ser respeitados de forma a poder transportar o sistema robótico tanto na América (volume) como no resto do mundo (peso). Assim, o empacotamento deve ser organizado preferencialmente em um volume com dimensões inferiores a 158cm lineares e com menos de 20kg e outro com dimensões inferiores a 115cm lineares e com menos de 6kg.

De forma a estar pronto para operar de forma rápida e eficiente, o sistema deve poder ser transportado em mochila, de forma organizada. Deve poder ser preparado para operar num tempo inferior a 5 minutos, preferencialmente cerca de 1,5minutos.

Estas recomendações apenas se aplicam aos robôs de menores dimensões, pertencentes às classes dimensionais mini e micro, descritas mais à frente neste capítulo. Contudo, é sempre importante assegurar a possibilidade de transporte de qualquer sistema robótico projectado.

Por fim, o \textit{software} deve ser dotado de uma interface de programação de aplicativos (API) de forma a poder desenvolver novas funcionalidades. Deve ainda poder comunicar com outros sistemas, de forma a divulgar toda a informação adquirida.

\subsubsection{Robôs}

Os robôs de busca e salvamento devem ser capazes de se locomover nos ambientes sinuosos des-critos na secção anterior. Para isso, como referido, é fulcral serem dotados de boa flexibilidade e manobrabilidade, podendo isto ser conseguido através de inúmeras abordagens.

Independentemente da forma de locomoção, existem algumas características que podem ser consideradas obrigatórias num robô de busca e salvamento. Estes devem ser equipados no mínimo com uma câmara de vídeo a cores, iluminação e comunicação áudio com dois sentidos. Devem ainda ser capazes de ler a temperatura e a sua posição, nomeadamente a orientação da câmara.

Mecanicamente, devem estar equipados com um ponto de ligação para uma corda de segurança, com possibilidade de desconexão rápida. Devem ser à prova de água (não apenas resistentes à água) e preferencialmente ter algum tipo de blindagem protectora. Devem ainda poder operar invertidos ou ter a capacidade de se auto-inverterem. Tanto durante a sua locomoção como em operações específicas, devem evitar movimentos que levantem poeira. Todas as componentes devem ter cores bem visíveis, de forma a localizar facilmente o robô, facilitar a sua limpeza e ter uma aparência amistosa para as vítimas encontradas. É recomendado o uso de cores de referência para o equipamento de segurança: amarelo, laranja e vermelho.

As comunicações com o operador devem fornecer indicação sobre o estado da bateria. Caso sejam wireless devem ainda fornecer ao operador indicação sobre a intensidade do sinal.

Os robôs devem ser dotados de baterias com carga suficiente para operar durante um tempo superior a 20minutos. Além disso, o tempo de carga ou substituição de baterias deve permitir um mínimo de 4 operações num período de 12horas. Robôs com funções especiais devem ter tempo de operação mais prolongado.

Por fim, é desejável um tempo médio entre falhas (MTBF) de 96horas. Em caso de produção em série, esta deve ir de encontro à norma ISO 9001, garantindo a uniformidade de todas as unidades de um modelo.


\subsubsection{Unidade de Controlo}

A unidade de controlo de um robô de busca e salvamento deve estar preparada para este ser controlado por dois operadores. Através desta, deve ser possível operar tanto em total ausência de luz como sob incidência do sol. É também útil poder operar sob qualquer condições climatéricas adversas, particularmente calor ou frio extremo e chuva ou neve.

São recomendados ecrãs grandes para o visionamento e controle do robô. Os controlos não devem interferir com o equipamento dos operadores, normalmente equipados com luvas, óculos de segurança, capacetes, etc.

Deve ser guardado um arquivo de todas as imagens e comandos efectuados, sendo possível o visionamento do arquivo em qualquer momento.


\subsection{Diferentes Abordagens}

A secção anterior faz referência a algumas das características que os robôs de campo para busca e salvamento devem respeitar. Contudo, é indiscutível que o cumprimento das características não é suficiente, uma vez que a maior problemática nos robôs de busca e salvamento é a locomoção por terreno adverso. Para isso, existem diferentes abordagens na geometria e componentes utilizadas nos robôs.


\subsubsection{Elemento de Tracção}

De forma a poder movimentar e manobrar os robôs é necessário um elemento de transmissão de potência ao chão. Existem três formas de locomoção principais: utilização de rodas, pernas ou lagartas. Cada uma destas abordagens oferece algumas vantagens e desvantagens, sendo por isso um ponto fulcral no projecto deste tipo de robôs. 

%\vspace{1em}
A utilização de rodas é a forma clássica de locomoção de veículos. É uma construção simples, logo pouco susceptível a falhas. A utilização de rodas permite a estabilidade do veículo e o seu repouso sem consumo de energia. No entanto, esta solução não fornece muito contacto com o solo podendo criar problemas de escorregamento.

O projectos Snoopy (referido na secção \ref{sec:snoopy}) desenvolvido pela Universidade de Carnegie Mellon é exemplo da utilização de rodas, uma vez que tem como base a estrutura de um carro de modelismo. Esta solução tem um bom comportamento em terrenos moderados, contudo não permite a locomoção por muitas das situações características de escombros.

%\vspace{1em}
Fornecendo uma maior área de contacto com o terreno, as lagartas possibilitam a resolução de alguns dos problemas de escorregamento das rodas, sem adicionar grande complexidade mecânica. Ademais, possibilitam maiores pontos de contacto com o solo, sendo assim mais úteis para terrenos acidentados. Todavia, podem causar também problemas de folgas ou de encravamento em material solto, levando ao bloqueamento dos robôs. De qualquer forma, a utilização de lagartas tem vindo a ser a solução mais utilizada nos robôs de busca e salvamento.

O Chaos (figura \ref{fig:lagartas}) da empresa Autonomous Solutions é exemplo de um dos muitos robôs de busca e salvamento movidos por sistemas de lagartas. Este robô pertence à classe transportável, tem um comprimento entre 71 e 136cm, uma largura de 68,5cm e uma altura de 20 a 52cm. A sua locomoção é assegurada por quatro lagartas independentes montadas como hastes rotativas. Possibilita assim velocidades até 8km/h, podendo ultrapassar obstáculos até 45cm de altura e orifícios até 60cm. Consegue ainda operar em inclinações com mais de 45º em qualquer direcção. A utilização das lagartas, juntamente com a geometria variável, é o principal trunfo para a mobilidade deste robô. \cite{chaos}

\begin{figure}[hbtp]
\centering
\epsfig{file=introducao/imagens/chaos.eps,width=80mm}
\caption{Exemplo de tracção por lagartas: Chaos da Autonomous Solutions.}
\label{fig:lagartas}
\end{figure}

%\vspace{1em}
Apesar de mecanicamente mais complexa, a utilização de pernas pode também oferecer grande mobilidade por terrenos acidentados. Contudo, isso obriga à utilização de um mínimo de 2 graus de liberdade por perna. Para além disso, a maioria dos sistemas de pernas são mais instáveis que os baseados em rodas e têm também um maior consumo de energia.

Devido às dificuldades inerentes à utilização de pernas, não existem muitos robôs de busca e salvamento movidos por pernas. Existem no entanto algumas soluções baseadas neste conceito que possibilitam uma grande mobilidade.

O TerminatorBot (figura \ref{fig:pernas1}) da DARPA, apelidado de CRAWLER (\textit{Cylindrical Robot for Autonomous Walking and Lifting during Emergency Response}) é um dos robôs de busca e salvamento cujo sistema de locomoção é assegurado por pernas. Este robô, de classe dimensional micro, é dotado de 6 graus de liberdade distribuídos por 2 pernas. A actuação dessas pernas permite \textbf{arrastar} o robô, provando ser particularmente eficaz em terrenos sinuosos e na subida de rampas. \cite{terminator}

\begin{figure}[hbtp]
\centering
\epsfig{file=introducao/imagens/TerminatorBot.eps,width=60mm}
\caption{Exemplo de robô com locomoção por pernas: TerminatorBot da DARPA.}
\label{fig:pernas1}
\end{figure}

%Para além dos robôs baseados em pernas, existem também algumas adaptações e modificações deste conceito provam ser particularmente eficazes na resolução de certos problemas. 

%O robô Asguard (figura \ref{fig:pernas2} (a)) desenvolvido pelo Centro de Pesquisa Alemão de Inteligência Artificial, em Bremen, utiliza um conceito resultante de uma combinação entre rodas e pernas, mostrando ser consideravelmente eficaz a movimentar-se em escadas. \cite{asguard}

%\begin{figure}[hbtp]
%\centering 
%\mbox{
%\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/asguard.eps,width=60mm}}
%\quad
%\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/sandbot.eps,width=60mm}}
%}
%\centering 
%\caption{Exemplo de tracção por adaptações de pernas: Asguard do Centro de Pesquisa Alemão de Inteligência Artificial, Bremen (a), SandBot da Universidade da Pennsylvania (b).}
%\label{fig:pernas2}
%\end{figure}

%O robô SandBot (figura \ref{fig:pernas2} (b)) projectado na Universidade da Pennsylvania utiliza um conceito semelhante ao Asguard, por sua vez para se movimentar de forma eficiente em terreno arenoso. Apesar de não se destinar a operações de busca e salvamento, o conceito utilizado para a sua locomoção pode ser aplicado nomeadamente para procuras em desabamentos e deslizamentos de terra. \textbf{referencia}

\subsubsection{Geometrias Mecânicas}

Existem diversas abordagens no tipo de geometria adoptada para os robôs de busca e salvamento. Entre as diversas tipologias são de destacar os robôs de geometria convencional, os de geometria variável, os baseados em ofídeos e os multi-unidades.

%\vspace{1em}
Os robôs de geometria convencional têm como principal vantagem a facilidade de operação. Visto terem um comportamento mecânico simples têm um custo de desenvolvimento menor e são menos susceptíveis a falhas. Contudo, visto serem mais simples, são também menos versáteis na transposição de obstáculos.

O SPAWAR Urbot (figura \ref{fig:conv}) do CRASAR foi um dos primeiros robôs de busca e salvamento a ser projectado e testado. 

\begin{figure}[hbtp]
\centering
\epsfig{file=introducao/imagens/spawar.eps,width=60mm}
\caption{Exemplo de robô com geometria convencional: SPAWAR Urbot do CRASAR.}
\label{fig:conv}
\end{figure}

%\vspace{1em}
A geometria variável é um dos elementos mais recorrentes no desenvolvimento de robôs de busca e salvamento. Com este tipo de construção consegue-se aumentar a adaptabilidade ao terreno, tornando os robôs mais versáteis, sem grande compromisso com a complexidade mecânica. A criação de geometrias variáveis é conseguida através de juntas actuadas entre diversas secções do robô. A principal dificuldade da utilização de geometrias variáveis passa por assegurar a estabilidade dos robôs em qualquer uma das suas configurações.

O robô NUGV (figura \ref{fig:varia}) desenvolvido pela Automated Controlled Environments, Inc - Valencia, California é um dos robôs de busca e salvamento que representa melhor o conceito de geometria variável. Este robô, pertencente à classe portátil mini, tem 45cm de comprimento, 41cm de largura e 12cm de altura na sua configuração natural (figura \ref{fig:varia} (a)). Alterando a sua configuração, consegue aumentar o seu comprimento para 125cm e reduzir a sua largura para 25cm. Essas configurações permitem-lhe poder ultrapassar obstáculos de maiores dimensões (como por exemplo subir escadas) e ao mesmo tempo passar por espaços mais confinados. A sua adaptabilidade consegue-se graças à actuação de 6 graus de liberdade independentes. Cada lagarta tem um movimento independente (2 graus de liberdade). As lagartas rodam 360º sobre extremidades opostas do módulo central, aumentado o comprimento do robô (2 graus de liberdade). As lagartas em torno da lateral do módulo central diminuem a sua largura (2 graus de liberdade).\cite{NUGV, Saffiotti}

\begin{figure}[hbt]
\centering 
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/NUGV.eps,width=50mm}}\\
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/NUGV1.eps,width=50mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/NUGV2.eps,width=50mm}}
}
\centering 
\caption{Exemplo de robô com geometria variável: NUGV da Automated Controlled Environments, Inc - Valencia, California (a), Diferentes configurações (b)(c).}
\label{fig:varia}
\end{figure}

Os robôs PackBot, Raposa, Versatrax 100 e Chaos, apresentados nas secções anteriores são também dotados de geometria variável. Todos eles possuem juntas que permitem alterar a forma geral do robô de forma a ajustá-la ao obstáculo a transpor.

%\vspace{1em}
\label{sec:cobra}
Apesar de os robôs de geometria variável se poderem adaptar a diversas situações, as suas configurações são limitadas. Desta forma são criados robôs hiper-redundantes baseados em cobras. Estes são os dotados de maior mobilidade, embora sejam também consideravelmente mais complexos. A maioria dos robôs deste tipo são constituídos por segmentos ligados entre si por juntas actuadas, normalmente com 2 graus de liberdade. A coordenação das várias juntas permite criar movimentos idênticos às cobras, conseguindo assim ultrapassar inúmeros complexos e espaços confinados. 

Contudo, apesar de proporcionarem um grande potencial para as operações de busca e salvamento, são de difícil controlo e mais susceptíveis a falhas. O tipo de movimentos e número de juntas actuadas provoca também um consumo de energia acrescido quando comparado com os restantes tipos de geometrias. 

O protótipo HyDRAS-Ascent (figura \ref{fig:cobra}) criado pela Universidade Virginia Tech ilustra o conceito de robôs baseados em cobras. Este é constituído por diversos módulos ligados por juntas flexíveis actuadas. O robô consegue assim controlar o ângulo entre o vários módulos e criar movimento de rotação dos mesmos. Através da combinação dos diversos movimentos o robô consegue locomover-se não só em terreno plano mas também por irregularidades. Uma particularidade deste robô face aos apresentados previamente é o facto de poder deslocar-se na vertical através de postes ou outra estrutura similar. Para isso, o robô enrola-se à estrutura suportando o seu peso pelo atrito causado pela força de aperto. Os movimentos rotacionais permitem então o deslocamento na direcção vertical.
\cite{HyDRAS}

\begin{figure}[hbtp]
\centering
\epsfig{file=introducao/imagens/HyDRAS.eps,width=50mm}
\caption{Exemplo de robô baseado em cobras: HyDRAS-Ascent da Virginia Tech.}
\label{fig:cobra}
\end{figure}

%\vspace{1em}
Visto os robôs baseados em cobras terem um controlo e comando demasiado complexo para garantir a sua fiabilidade, procurou-se adaptar esse conceito de forma a resolver esse problema. 
A geometria multi-unidade consegue conciliar algumas das vantagens das configurações referidas, nomeadamente das geometrias simples e da baseada em cobras. Esta consiste na união de várias unidades de geometria simples, possibilitando a interacção entre as mesmas de forma a cumprir um objectivo comum. A união das várias unidades pode ser feita por uma junta actuada, permitindo movimentos semelhantes aos robôs baseados em cobras. Frequentemente, os robôs com esta geometria são denominados de serpentiformes.

O projecto OmniTread (figura \ref{fig:serpentine} (a)) desenvolvido pela universidade de Michigan é um dos robôs mais versáteis para operações de busca e salvamento. É constituído por 5 unidades juntas por acoplamentos de 2 graus de liberdade actuados. Cada unidade é composta por 4 pares de lagartas, permitindo ao robô operar de forma independente da orientação. O movimento das lagartas apenas é responsável pela progressão no terreno, sendo a direcção unicamente suportada pela actuação dos acoplamentos. A actuação das juntas do acoplamento é pneumática, permitindo a realização de grandes forças mas obrigando o uso de um tubo de ligação.
\cite{OmniTread}

\begin{figure}[hbtp]
\centering 
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/OmniTread.eps,width=60mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=introducao/imagens/centipede.eps,width=60mm}}
}
\centering 
\caption{Exemplo de robôs multi-unidade com geometria serpentiforme: OmniTread da Universidade de Michigan (a), Robô baseado num centipede do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial de Guseong-dong Yuseong-gu Daejeon, Korea (b).}
\label{fig:serpentine}
\end{figure}

O robô do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial de Guseong-dong Yuseong-gu Daejeon, Korea baseado num centípede (figura \ref{fig:serpentine} (b)) é capaz de movimentar por terreno irregular, e transpor obstáculos até cerca de 48\% do seu comprimentos e 550\% da sua altura. Este robô é constituído por 5 unidades, uma principal e quatro secundárias, ligadas entre si por uma junta actuada com um grau de liberdade. A massa total do robô é de 3,76kg. Tem 750mm de comprimento, e largura de 200mm e altura de 65mm. Apesar de apenas se poder deslocar numa direcção, este robô ilustra o potencial do uso da geometria serpentiforme. O seu controlo é feito de forma autónoma, dependendo o comportamento da unidade principal do ambiente e o comportamento das restantes unidades da unidade principal.
\cite{centipede}


\subsection{Modo de Operação}

O modo de operação clássico dos robôs de busca e salvamento baseia-se no controlo remoto. Os robôs são tele-operados a partir da observação do ambiente pelo operador. Contudo, de forma a melhorar o desempenho dos robôs, é-lhes  dada autonomia  de decisão mediante percepção sensorial. Consoante o grau de autonomia, os robôs podem ser tele-operados, tele-autónomos, de autonomia partilhada ou autónomos.\cite{Saffiotti}

\subsubsection{Tele-operados}

Os robôs tele-operados não necessitam de qualquer tipo de percepção autónoma acerca do ambiente. O comando deve ser feito a partir da unidade de controlo através de um joystick ou outro dispositivo semelhante. Toda a informação obtida dos sensores é enviada para o operador.

Este tipo de sistema é um dos mais utilizados. Contudo, leva a um comando lento e dificulta a interacção com robôs de muitos graus de liberdade. 

\subsubsection{Autónomo}

A automação total é o modo de funcionamento oposto da tele-operação. Este não necessita de operador, sendo todas as decisões tomadas autonomamente pelo robô. 

Este modo de funcionamento não se adequa a missões em ambientes desconhecidos, logo não é indicado para robôs de busca e salvamento. Existem porém muitos estudos e investigações com o objectivo de equipar um robô com percepção sensorial suficiente para operar de forma autónoma numa missão de busca e salvamento.

Contudo, as missões de resgate são muito susceptíveis a falhas devidas a alterações do ambiente. Dependem assim não só do conhecimento técnico do qual as equipas de busca e salvamento têm conhecimento, mas também de senso comum. Dificulta-se assim a possibilidade do uso de robôs completamente autónomos nestas missões.  Além disso, existe ainda um dilema ético que resultaria deste tipo de operação. As decisões acerca do salvamento de uma vida humana não devem ser feitas por uma máquina.

\subsubsection{Tele-autónomos}

O modo de operação tele-autónomo alia à tele-operação algumas das vantagens do funcionamento autónomo. Assim, mantendo a responsabilidade da tomada de decisões no operador, torna-se possível navegar de forma mais facilitada e controlar um maior número de graus de liberdade.

No modo de funcionamento tele-autónomo todas as decisões acerca da navegação do robô permanecem no operador. Contudo, o robô é capaz de tomar algumas decisões de baixo nível.  Assim, existem principalmente duas situações onde a tele-automação traz grandes vantagens em relação à tele-operação: negociação de obstáculos e controlo de graus de liberdade.

Aquando da navegação, apesar de o operador controlar o caminho a percorrer, o robô é capaz de negociar a transposição de obstáculos de forma autónoma. Isto facilita o controlo, permitindo ao operador concentrar-se nas restantes tarefas a que está sujeito. 

No caso dos robôs com muitos graus de liberdade, o robô deve ser capaz de controlar todas as suas juntas de forma a produzir o efeito dos comandos enviados pelo operador.

Este modo de operação é um dos mais utilizados, dadas as suas vantagens que se enumeram: 
\begin{itemize}
\item reduz o tempo de reacção e o tempo de manobras, 
\item é mais imune a falhas de comunicações,
\item não requer controlo constante por parte do operador,
\item possibilita ao operador concentrar-se nas tarefas de alto nível,
\item pode fornecer melhor informação acerca do ambiente onde navega. 
\end{itemize}
A principal desvantagem deste modo de funcionamento prende-se com o facto de poder ser difícil para o operador libertar-se de parte do controlo do robô. Acontece que técnicos de equipas de busca são reticentes em confiar parte do controlo ao robô.

\subsubsection{Autonomia Partilhada}

O processo de autonomia partilhada fundamenta-se nos mesmos conceitos que o modo de funcionamento tele-autónomo. Contudo, o seu nível de automação é superior, descartando ainda mais controlo do operador. 

Neste modo de funcionamento o robô é capaz de se deslocar autonomamente. Contudo, a sua missão é controlada pelo operador, que interage com ele através de um protocolo de comunicação complexo, dando-lhe objectivos. O robô pode ainda interagir com o operador, de forma a obter informações, através de um protocolo de pergunta/resposta.

A autonomia partilhada pode ser útil uma vez que alia as vantagens da automação ao poder de decisão no operador. Contudo, dadas as dificuldades de navegação, a sua implementação é uma tarefa árdua, ainda pouco desenvolvida. 
