\section{Testes de Conceito}

Após a construção do protótipo foram testados os diversos conceitos utilizados. O teste dos conceitos permite reeditar o projecto de forma a corrigir eventuais problemas. Para além disso, estes testes ajudam a antecipar o desempenho do protótipo na realização das tarefas que lhe serão propostas.

\subsection{Aspectos Construtivos}

\subsubsection{Estruturas (chassi)}

A estrutura construída cumpriu as expectativas de suporte de componentes e blindagem. Contudo, principalmente devido ao material utilizado e ao processo de fabrico, surgiram diversos empenos prejudicando as tolerâncias dimensionais. A remoção de mais de $2/3$ do material de um compósito leva à flexão do mesmo no sentido do material removido, uma vez que perde estabilidade estrutural. Essa deformação teve também como consequência um pior acabamento superficial da maquinagem.

Contudo, foi possível a correcção do defeito através de um tratamento térmico e aplicação de tensões de forma a corrigi-lo. Para além disso, foram adicionados dois parafusos de fixação, mantendo assim a geometria estrutural pretendida para o protótipo. Os mesmo parafusos servem de auxílio à fixação entre os módulos base e os módulos de função. No apêndice \ref{ane:fabrico} apresentam-se fotografias relativas ao tratamento térmico e no anexo \ref{ane:montagem} apresentam-se fotografias relativas à fixação dos módulos de função. 

No fabrico de novas peças estruturais, a fixação dos blocos será alterada. Em vez de uma fixação em prensa de maxilas, será utilizada uma fixação a uma placa plana através de parafusos ou fita adesiva de dupla face. Espera-se com essa forma melhorar as tolerâncias dimensionais das peças e os acabamentos de todas as superfícies.
%
%Para além disso, verificou-se também uma lacuna na fixação dos servomotores para tracção. Essa fixação aparafusada deverá ser substituída por uma fixação rápida, da mesma forma representada na figura \ref{fig:des_f_assembly} (b).

\subsubsection{Encaixe dos módulos}

A solução estudada para o encaixe dos módulos de função nos módulos base mostrou funcionar, embora tenha sofrido alguns melhoramentos. As calhas para guiamento dos módulos cumpriram a sua função, não existindo qualquer problema no encaixe. Foram apenas adicionados dois parafusos, referidos na subsecção anterior, tendo a função de bloquear a posição dos módulos de função. Este parafusos foram usados no ponto de fixação posterior dos módulos. De forma a isso ser possível para todos os módulos, mantendo o conceito de uma plataforma transversal, os furos de fixação posterior do módulo master foram alterados para a mesma posição dos restantes módulos de função (comparar figuras \ref{fig:mod_master} e \ref{fig:mod_slave}). 

\subsubsection{Motores}

A escolha dos motores levou a uma facilidade no controlo dos movimentos do robô. A alteração dos servomotores para rotação contínua é um processo rápido, sem aumento considerável do custo dos mesmos. Apenas foram utilizados motores de dimensões standard, não tendo sido estudada a adaptação para as dimensões inferiores.

A fixação dos servomotores na estrutura é um dos processos de montagem mais demorados, uma vez que é aparafusada. De forma a melhorar e tornar essa fixação mais rápida, tal como referido, a fixação dos servomotores passará a ser feita numa calha, da mesma forma indicada na figura \ref{fig:des_f_assembly} (b).

\subsubsection{Acoplamento Entre Unidades}

\label{sec:novo_acoplamento}

Após o fabrico do acoplamento desenhado, foi encontrado um problema com a rotação segundo o grau de liberdade longitudinal. Era esperado que a fixação do acoplamento às estruturas do robô não impedisse a sua rotação. Contudo, para essa rotação ocorrer era necessário vencer uma grande força de atrito. Para que fosse possível a rotação livre segundo o eixo longitudinal verificou-se a necessidade de utilização de folgas. Porém, o uso de folgas na fixação poderia prejudicar a actuação da junta, não sendo assim uma alteração viável. Além disso, verificou-se que a rotação entre a peça de fixação do acoplamento e a peça rotativa tem um bom comportamento sem a utilização do rolamento axial, podendo este ser eliminado.

Desta forma, a fixação da junta universal foi alterada, sendo utilizada a peça rotativa destinada à actuação da mesma para a fixar. A figura \ref{fig:acoplamento_final} representa a nova fixação do acoplamento à estrutura. Para além disso passou a utilizar-se uma forma ortogonal na fixação posterior do acoplamento (fixação ao módulo de função). Assim, isolou-se toda a rotação segundo o eixo longitudinal num único ponto. Uma vez que esta alteração traz grandes melhoramentos ao funcionamento do robô, foi de imediato posta em prática, tendo sido abandonada a fixação anterior. Os parafusos de fixação da junta universal na peça rotativa servem também de fixação para os cabos de actuação da junta. No fabrico de futuros acoplamentos deverá optar-se pelo uso de uma forma ortogonal na fixação dianteira (fixação ao módulo base). Apesar de não trazer vantagens funcionais essa alteração facilita a obtenção de furos perpendiculares nas peças.

\begin{figure}[ht]
\centering
\epsfig{file=teste/imagens/acoplamento.eps,width=80mm}
\caption{Representação esquemática do acoplamento entre unidades.}
\label{fig:acoplamento_final}
\end{figure}

O redesenho do acoplamento permite a adição de um segundo par de cabos, permitindo actuar o segundo grau de liberdade da junta universal. Ao fazer isso, apenas ficaria livre a rotação segundo o eixo longitudinal do robô.

\subsubsection{Rodas}

O comportamento geométrico das rodas desenvolvidas é o previsto, permitindo através de deformação elástica criar excentricidade entre o veio e o aro da roda. Contudo, a deformação das jantes prejudica o paralelismo entre o veio e o aro, sendo prejudicial para o guiamento das lagartas. Os testes do comportamento das rodas serão descritos na secção seguinte, bem como a proposta de resolução dos problemas encontrados.

Existiu apenas um problema com o fabrico das rodas, nomeadamente no fabrico das jantes em silicone. Uma vez que só foram maquinados dois moldes, apenas foram manufacturadas duas jantes de cada vez. Sendo a mistura do silicone e do endurecedor feita manualmente, utilizando uma balança com apenas 1g de resolução, existem algumas variações das proporções. Essas variações provocam algumas alterações nas características elásticas do produto final. Devido a isso, a deformação de diversas rodas, sujeitas à mesma carga, tem algumas diferenças. Para além disso, a geometria da roda leva a um comportamento dinâmico variado conforme a velocidade e sentido de rotação. 

De forma a uniformizar o comportamento das quatro rodas de uma unidade deveria ser realizado um novo molde. Esse deveria ter cavidades para o fabrico de 2 pares de rodas simétricas em simultâneo. Dessa forma conseguir-se-ia o mesmo comportamento para as quatro rodas de cada unidade.

\subsection{Aspectos Funcionais}

\subsubsection{Locomoção}

O sistema de motorização e tracção desenhado para o robô é capaz de cumprir as necessidades de locomoção do robô. A fotografia da figura \ref{fig:locomocao} mostra uma unidade equipada com um módulo master em movimento num plano inclinado. As rodas utilizadas não são as projectadas inicialmente uma vez que provocaram alguns problemas. A subsecção seguinte refere alguns dos problemas causados.

O sistema de lagartas permite a uma unidade deslocar-se por inclinações laterais de até $25$\textdegree. Permite ainda uma capacidade de subida de $70$\% ou $35$\textdegree e uma capacidade de descida de $58$\% ou $30$\textdegree. Para além da altura ao solo de $17$~mm, apesar de não ser possível submergir o protótipo, a capacidade de vau é de $20$~mm. De forma a poder submergir o robô é necessário torná-lo completamente impermeável, através da adição de borrachas de vedação. Por fim, dada a colocação das lagartas, o ângulo de ataque é superior a $90$\textdegree e o ângulo de saída de $30$\textdegree, sendo capaz de superar qualquer ângulo ventral. Os ângulos máximos determinados foram limitados pelo escorregamento das lagartas, e não por binário insuficiente. Assim, a operação do robô em terreno rugoso, com maior atrito com as lagartas possibilitará maiores ângulos de operação. A figura \ref{fig:angulos}\footnote{\textit{in}: http://www.volkswagen.pt/gama/touareg/highlights/offroad.shtml} representa os ângulos e outras medidas referidos.

\begin{figure}[ht]
\centering
\epsfig{file=teste/imagens/locomocao.eps,width=80mm}
\caption{Fotografia de uma unidade em locomoção.}
\label{fig:locomocao}
\end{figure}

\begin{figure}[hbtp]
\centering 
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/ang_ataque.eps,width=40mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/ang_subida.eps,width=40mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/ang_lateral.eps,width=40mm}}
}
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/ang_ventral.eps,width=40mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/ang_vau.eps,width=40mm}}
}
\centering 
\caption{Ângulos de locomoção: ângulo de ataque e de saída (a), ângulo de subida (b), ângulo lateral (c), ângulo ventral (d), capacidade de vau (e).}
\label{fig:angulos}
\end{figure}

O acoplamento de diversas unidades não interfere com a mobilidade das mesmas, limitando apenas o ângulo de brecagem em cerca de $30$\textdegree, levando a um raio de curvatura mínimo de cerca de $500$mm. Isso acontece porque um ângulo de brecagem mais apertada provoca interferência das lagartas de duas unidades adjacentes. É possível reduzir o raio de viragem através da utilização de rodas de menor diâmetro, diminuindo no entanto a altura ao solo. O aumento do ângulo de brecagem também pode ser conseguido através do aumento do comprimento da junta do acoplamento, sendo no entanto necessário um maior binário para a elevação das unidades. Essas alterações poderão ser feitas após a realização em testes em ambientes reais, mediante as dificuldades encontradas.

Para além disso, através da detecção da orientação da unidade, conseguiu-se o mesmo comportamento independentemente da face voltada a cima. Teme-se apenas que o comportamento de uma unidade se altere quando estiver a ser elevada contra uma parede e ultrapasse o ângulo de $90$\textdegree. De qualquer forma, caso essa falha se verifique, pode ser corrigida através de alterações no software.

\subsubsection{Segurança Passiva}

Apesar dos problemas com o fabrico das estruturas e rodas, a segurança passiva do protótipo não foi prejudicada. No geral, o comportamento das diversas componentes está de acordo com a simulação numérica realizada. Contudo, os elementos de segurança passiva concebidos provocaram alguns problemas no funcionamento do protótipo.

A estrutura individual do módulo base, sendo a principal blindagem do protótipo, foi submetida a um carregamento distribuído de 700N segundo o eixo vertical não tendo sofrido quaisquer danos. Para além disso, a estrutura foi traccionada com uma carga de cerca de 300N segundo o eixo longitudinal pelo ponto de apoio do acoplamento. O teste não provocou deformações prejudiciais ao funcionamento do protótipo, nomeadamente ao nível da fixação do acoplamento. A fotografia da figura \ref{fig:teste_seguranca} (a) representa um dos testes realizados à estrutura do protótipo. As estruturas dos módulos de funções, apesar de constituídas por espessuras menores, suportam os mesmos carregamentos, uma vez que as suas dimensões gerais também são menores.

\begin{figure}[ht]
\centering 
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/foto_carga.eps,width=60mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/foto_rodas.eps,width=60mm}}
}
\centering 
\caption{Fotografias dos testes de segurança passiva: carregamento da estrutura (a), deformação das rodas(b).}
\label{fig:teste_seguranca}
\end{figure}

As rodas do robô deformaram da forma esperada, sendo necessária uma carga distribuída de $180$~N para apoiar a estrutura ao solo na totalidade. A fotografia da figura \ref{fig:teste_seguranca} (b) representa o teste realizado à deformação das rodas. Para além disso, a flexão das rodas mostrou melhorar a adaptabilidade a pequenas irregularidades de terreno. No entanto, torção das rodas e a possibilidade de aproximação dos aros das jantes foi prejudicial ao guiamento das lagartas. 

Os entalhes de guiamento dos aros não podem ser mais profundos porque têm que ter uma altura inferior à espessura das lagartas. Assim, para esse problema poder ser corrigido, devem-se utilizar lagartas com entalhe de guiamento centrais. Para além disso, deve haver folgas entre as lagartas e as guias dos aros, abrigando assim a um maior deslocamento para a remoção das lagartas. De forma a eliminar ao máximo a torção das jantes, estas devem ser desenhadas com simetria segundo um plano perpendicular ao eixo. O rolamento ou o anel de transmissão de potência devem-se localizar no centro geométrico das jantes. Deve ainda ser criado um sistema de forma a bloquear completamente a torção, permitindo apenas a deformação no plano.

Uma vez que não foi possível fabricar as novas jantes, de forma a testar os restantes conceitos implementados (incluindo a locomoção já descrita), foram desenhadas e construídas rodas rígidas. No entanto, apesar de não ocorrer deformação das jantes, ocorre torção dos veios, principalmente do motor. De forma a evitar essa torção deve redesenhar-se o apoio das rodas, adicionada uma travessa com o comprimento do entre-eixo do lado exterior das rodas. A figura \ref{fig:novas_rodas} representa a fixação projectada para as rodas de forma a manter o paralelismo dos eixos.

\begin{figure}[ht]
\centering
\epsfig{file=teste/imagens/chapa_exterior.eps,width=80mm}
\caption{Imagem foto-realística da fixação exterior projectada para as rodas.}
\label{fig:novas_rodas}
\end{figure}

\subsubsection{Elevação das Unidades}

Para a realização dos ensaios de elevação de unidades foi utilizada uma montagem com apenas um módulo slave ligado através de um acoplamento a uma balança. O accionamento do servomotor do módulo slave foi feito através de um circuito externo. A fotografia da figura \ref{fig:teste_elevacao} (a) representa o acoplamento entre o módulo slave e a balança. O accionamento do acoplamento provocou uma carga de $6.34$~kgf a $40$~mm do ponto de rotação, utilizando uma bateria com uma tensão de 5V. Essa carga corresponde à elevação de cerca de 2 unidades. A fotografia da figura \ref{fig:teste_elevacao} ilustra a elevação da estrutura de um módulo base. 

\begin{figure}[ht]
\centering 
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/foto_sist_eleva.eps,width=60mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/foto_elevado.eps,width=60mm}}
}
\centering 
\caption{Fotografias dos teste de elevação de unidades: acoplamento entre unidades (a), elevação da estrutura de uma unidade(b).}
\label{fig:teste_elevacao}
\end{figure}

Os testes mostraram ser possível elevar uma unidade até um ângulo de $60$\textdegree com a anterior, em ambos os sentidos. Para além disso, a torção causada na fixação rotativa do acoplamento pela elevação de uma unidade, aumenta o atrito à rotação. Essa situação torna-se benéfica uma vez que impede a rotação segundo o eixo longitudinal de unidades não apoiadas. Contudo, a tensão nos cabos do acoplamento cria um sistema instável, ocorrendo facilmente rotação em torno do eixo vertical do robô. Tendo o acoplamento ficado pronto para o accionamento do segundo grau de liberdade, foi adicionado um segundo par de cabos limitando  a rotação segundo o eixo vertical. Com a actuação desse segundo par de cabos torna-se possível estabilizar o sistema, para além de se assumir controlo sobre as rotações segundo os eixos vertical e transversal com a unidade elevada. 


\subsection{Electrónica}

As diferentes componentes electrónicas utilizadas e a sua integração foram testadas no circuito apresentado na fotografia da figura \ref{fig:elec} (a). O circuito integra as diversas partes das secções de distribuição de energia e gestão de unidades. As baterias totalmente carregadas têm uma tensão de 5,6V, superior à esperada. Durante o consumo de energia acumulada a tensão desce até cerca de 4,5V. Os sensores de inclinação e orientação dão leituras correctas com ângulo morto inferior a $10$\textdegree. Os sensores de proximidade detectaram uma amostra de polietileno até distâncias de cerca de 50mm. O controlo do servo permite a rotação nos dois sentidos a diferentes velocidades. A alteração do sentido de rotação ocorre um espaço muito curto de tempo.

A secção de comunicação e navegação foi testada de forma independente das restantes secções. A comunicação foi feita com uma velocidade de transmissão de $9600$~bps. A subsecção seguinte refere os alcances registados. A iluminação é suficiente para a obtenção de uma imagem com uma camera de video sem luz exterior. O consumo total da iluminação é inferior a $250$~mA. A fotografia da figura \ref{fig:elec} (b) representa a secção de comunicação e navegação.

\begin{figure}[ht]
\centering 
\mbox{
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/placa_branca.eps,width=60mm}}
\quad
\subfigure[]{\epsfig{file=teste/imagens/foto_luz.eps,width=60mm}}
}
\centering 
\caption{Fotografias dos teste de circuitos electrónicos: circuito com sensores de inclinação, orientação e proximidade e controlo de um servomotor alimentado por uma bateria (a), circuito master com comunicações e iluminação(b).}
\label{fig:elec}
\end{figure}

\subsubsection{Comunicações}

Apesar de documentado que o alcance dos módulos de XBee seria de até $30m$ em ambiente interior e $100m$ em espaço aberto, foram testadas as comunicações, de forma a prever a distância máxima entre o operador e o módulo master. Para isso, foi testada a comunicação em espaço aberto, tendo-se conseguido um alcance superior a  $70$~m. Em espaço interior o alcance é extremamente limitado por obstáculos (principalmente paredes), levando a alcances máximos inferiores a $10$~m. Além disso, não foi possível comunicar entre andares diferentes de um edifício.

