Comparação de sistemas de propulsão de robôs móveis: 2WD, 4WD, 4WS e robôs sobre lagartas

O sistema de propulsão de um robô móvel determina onde este pode operar, o que pode transportar e com que precisão se pode posicionar — o que afeta 10–25% do custo total da lista de materiais (BOM) do AMR e 25–40% do consumo de energia.

Este guia compara as quatro arquiteturas de transmissão dominantes em veículos AMR — diferencial 2WD, tração às quatro rodas com direção por derrapagem, direção nas quatro rodas (4WS) e tração por lagartas — em termos de capacidade de carga útil, precisão de posicionamento, compatibilidade com o pavimento, eficiência energética e custo total de propriedade, para que as equipas de engenharia e aquisição possam adequar a seleção do chassis aos requisitos operacionais com base em dados, em vez de alegações de marketing.

Comparação de sistemas de propulsão de robôs móveis: 2WD, 4WD, 4WS e robôs sobre lagartas

Resumo

1. Tração diferencial 2WD

A tração diferencial 2WD é a opção mais simples e económica. Funciona bem em pisos lisos e planos, com cargas úteis ligeiras a médias. Se as suas instalações tiverem pisos nivelados de epóxi ou betão e se estiver a movimentar caixas ou paletes pequenas, comece por aqui.

2. Minicarregadora com tração às quatro rodas

A minicarregadora com tração às quatro rodas (4WD) proporciona maior tração e melhor distribuição da carga. Suporta cargas úteis mais pesadas e superfícies ligeiramente mais irregulares do que a versão com tração às duas rodas (2WD), mas sacrifica um pouco da facilidade de manobra em pisos lisos.

3. 4WS (direção nas quatro rodas)

O sistema 4WS (direção nas quatro rodas) proporciona manobrabilidade omnidirecional e a máxima precisão de posicionamento. É a escolha certa quando é necessária uma precisão de acoplamento de ±2 mm, quando se opera em corredores estreitos ou quando se manuseiam cargas úteis superiores a 1 000 kg.

4. Transmissão por lagartas

O sistema de tração por lagartas é o especialista em ambientes exteriores e terrenos acidentados. Consegue ultrapassar obstáculos que os robôs com rodas não conseguem, subir inclinações mais íngremes e transportar cargas proporcionalmente mais pesadas — em detrimento da velocidade, da eficiência energética e do desgaste do pavimento em ambientes interiores.

Não existe um único sistema de acionamento que seja “o melhor”. A escolha certa depende do tipo de pavimento, dos requisitos de carga útil, das restrições de espaço, das necessidades de precisão e do orçamento.

Este guia apresenta cada sistema em pormenor, para que possa tomar essa decisão com base em detalhes técnicos, em vez de generalidades de marketing.

Por que razão a sua escolha do sistema de acionamento AMR determina tudo o que se segue

O sistema de propulsão não é apenas um componente entre muitos. É a decisão arquitetónica que determina como o robô se move, onde pode operar, o que pode transportar, com que precisão se posiciona, quanta energia consome e quanto custa a sua aquisição e manutenção.

Ao alterar o sistema de propulsão, altera-se tudo o que se segue: o dimensionamento do motor, a capacidade da bateria, a arquitetura de controlo, a configuração do sistema de segurança, os requisitos de preparação do piso e o custo total de propriedade ao longo de um ciclo de vida da frota de 5 a 7 anos.

No entanto, em muitos processos de aquisição, o sistema de acionamento é tratado como mais um item a assinalar numa ficha técnica, em vez de uma decisão estratégica. Este artigo destina-se aos engenheiros e responsáveis pelas operações que precisam de tomar essa decisão com base em dados reais, e não em argumentos de marketing.

O que este artigo aborda:

• As quatro arquiteturas de propulsão dominantes nos robôs móveis industriais atualmente são: tração diferencial 2WD, direção por derrapagem 4WD, direção independente 4WS e sobre lagartas
• Como cada sistema funciona do ponto de vista mecânico e elétrico
• Dados de desempenho relativos à carga útil, velocidade, precisão, compatibilidade com o pavimento e consumo de energia
• Um quadro de decisão que associa os seus requisitos operacionais ao sistema de acionamento adequado
• Normas de segurança relevantes (ISO 3691-4, ANSI/RIA R15.08) e a forma como a escolha do sistema de acionamento influencia a arquitetura de segurança

O que este artigo não aborda:

• Sistemas Mecanum e de rodas omnidirecionais (trata-se de configurações especializadas para casos de utilização específicos; um artigo separado aborda este tema)
• Locomoção com pernas ou híbrida (fora do âmbito das plataformas industriais com rodas ou lagartas)
• Robótica para consumidores ou amadores

Tabela comparativa de sistemas de propulsão de robôs móveis

Tração diferencial AMR de duas rodas motrizes (2WD)

Como funciona

Um robô com tração diferencial utiliza duas rodas acionadas de forma independente, montadas num eixo comum, normalmente no centro do chassis. Uma ou mais rodas passivas de apoio garantem o equilíbrio — duas rodas de apoio numa configuração de 4 rodas, ou quatro rodas de apoio numa configuração de 6 rodas, para cargas mais pesadas.

A direção é controlada inteiramente através da diferença de velocidade entre as rodas motrizes esquerda e direita. Se ambas as rodas forem acionadas para a frente à mesma velocidade, o robô move-se em linha reta. Se a roda esquerda for acionada mais depressa do que a direita, o robô vira para a direita. Se forem acionadas a velocidades iguais e opostas, o robô gira no mesmo sítio, em torno do seu ponto central.

Não existe motor de direção, nem articulação de direção, nem pino mestre, nem ângulo de direção servocontrolado. Os motores de tração fazem todo o trabalho e o sistema de controlo é, consequentemente, simples: um controlador preditivo de modelo PID que regula a velocidade de cada roda com base na informação de retorno do codificador.

Essa simplicidade é o maior ponto forte da arquitetura. É também a origem de todas as limitações que daí decorrem.

Componentes principais

1. Dois motores de acionamento

Normalmente, motores de corrente contínua sem escovas (BLDC) com caixas de velocidades planetárias ou harmónicas integradas. Gama de potência habitual: 200–750 W por motor para AMRs de armazém.

2. Codificadores incrementais

Um por motor de acionamento, normalmente com 1 024–4 096 PPR (impulsos por revolução). Estes fornecem a informação de velocidade e posição para o circuito de controlo. Os sistemas de acionamento diferencial não dispõem de codificadores de direção absolutos, uma vez que não existe um eixo de direção a medir.

3. Lançadores passivos

Rodízios com banda de rodagem em poliuretano, normalmente com 75–150 mm de diâmetro, com cabeças giratórias de rolamento duplo. Trata-se de peças sujeitas a desgaste que são substituídas anualmente em operações 24 horas por dia, 7 dias por semana.

4. Controladores de motores

Motores ligados em rede CANopen ou EtherCAT, frequentemente com STO (Safe Torque Off) integrado para cumprimento dos requisitos de segurança funcional.

5. Suspensão (opcional)

Suportes de rodízios com mola ou um pivô central para manter o contacto com o solo em pisos ligeiramente irregulares. Muitos robôs de tração diferencial de nível básico não dispõem de suspensão e dependem da planicidade do piso.

Características de desempenho

1. Carga útil

Em configurações industriais padrão, os robôs com tração 2WD (duas rodas motrizes) suportam cargas úteis de até 300–500 kg. O fator limitante não é o binário do motor — é sempre possível especificar motores mais potentes. A verdadeira limitação reside na capacidade de carga dos rodízios e na pressão exercida sobre o pavimento. Cada roda giratória suporta aproximadamente metade da carga útil, mais uma fração do próprio peso do robô. Com uma configuração de 4 rodas giratórias de poliuretano de 75 mm, com capacidade nominal de 150 kg cada, o limite prático da carga útil situa-se em cerca de 500 kg. Já vimos integradores a elevar este limite para 600 kg com rodízios de 100 mm, mas, a essa altura, a carga exercida sobre o pavimento começa a causar problemas de manutenção.

Acima dos 500 kg, os rodízios começam a desgastar-se rapidamente, as marcas no pavimento tornam-se um problema e a distância de travagem do robô sob carga ultrapassa o permitido pelas normas de segurança, a menos que se opte por rodízios e motores maiores e mais caros. Nessa altura, a tração às quatro rodas (4WD) ou a direção nas quatro rodas (4WS) torna-se a opção mais económica.

2. Velocidade

1,5–2,0 m/s (5,4–7,2 km/h) é o intervalo de funcionamento típico para os AMRs com tração diferencial destinados a armazéns. Esta velocidade é suficiente para a maioria das tarefas de intralogística — um robô que se desloca a 1,8 m/s percorre um corredor de armazém de 100 metros em menos de um minuto. São possíveis velocidades mais elevadas, mas estas implicam requisitos adicionais relativos ao alcance dos sensores de segurança, de acordo com a norma ISO 3691-4.

3. Precisão de posicionamento

 Os fabricantes indicam uma margem de ±10 mm para robôs com tração diferencial em condições reais. Esse valor pressupõe um pavimento bem conservado, pneus mudos e uma calibração regular do codificador. Se houver poeira, humidade ou irregularidades, a precisão deteriora-se rapidamente — o deslizamento das rodas introduz erros de odometria que o codificador, por si só, não consegue detetar.

Este é o limite fundamental da precisão da condução diferencial. O sistema deduz o ângulo de viragem e a posição de forma indireta a partir da velocidade das rodas. Quando uma roda patina, o codificador regista um movimento que nunca ocorreu. O sistema de controlo não dispõe de qualquer forma independente de saber que recebeu informações erradas. As IMUs e a localização baseada em SLAM compensam ao nível da navegação — mas a precisão da navegação por estimativa ao nível da condução permanece limitada, independentemente da qualidade do seu conjunto de ferramentas de navegação.

4. Requisitos relativos ao pavimento

Liso, plano, nivelado e limpo. Os robôs com tração diferencial necessitam de contacto contínuo com o solo por parte de ambas as rodas motrizes. Um buraco, uma saliência ou detritos que levantem uma das rodas motrizes, mesmo que apenas alguns milímetros, fazem com que o robô se desvie da trajetória, uma vez que a roda levantada gira livremente enquanto a roda em contacto com o solo conduz o robô num arco. Os pavimentos de betão revestidos a epóxi em bom estado são ideais. O betão polido com um coeficiente de atrito inferior a 0,5 pode causar derrapagens. A planicidade do pavimento deve cumprir ou exceder as especificações FF35/FL25, de acordo com a norma ACI 117.

5. Eficiência energética

A tração diferencial é a configuração com rodas mais eficiente em termos energéticos. Com apenas dois motores de tração e sem atuadores de direção a consumir energia, as perdas parasíticas são as mais baixas de qualquer arquitetura de tração. Um AMR típico com acionamento diferencial e carga útil de 200 kg consome 400–800 W em deslocamento em regime estacionário num piso plano, o que corresponde a 6–8 horas de funcionamento com uma bateria LiFePO4 de 48 V/60 Ah.

6. Custo

O sistema de transmissão — dois conjuntos de motor + caixa de velocidades + codificador + controlador, duas rodas motrizes e um conjunto de rodízios — tem um custo de $2 000–$5 000 ao nível da lista de materiais (BOM) para componentes de nível industrial. Essa é a vossa referência. Todas as outras configurações são avaliadas em relação a este valor.

Quando optar pela tração diferencial 2WD

Escolha a tração diferencial quando:

• As suas cargas são inferiores a 500 kg
• Os seus pavimentos são lisos, planos e estão em bom estado
• As suas rotas são relativamente simples (ponto a ponto, sem manobras apertadas)
• Está a implementar em grande escala e o custo unitário é importante
• A sua tolerância de encaixe é de ±10 mm ou superior
• Queres um perfil de manutenção o mais simples possível

Não opte pela tração diferencial quando:

• Os seus pavimentos apresentam variações de inclinação, juntas de dilatação ou irregularidades
• É necessário ter capacidade de movimento lateral (em forma de caranguejo)
• É necessária uma precisão de acoplamento superior a ±5 mm
• A sua carga útil excede os 500 kg
• Trabalha em ambientes húmidos, empoeirados ou com tendência para a acumulação de detritos, onde é provável que as rodas patinem

Sistema de tração de um robô móvel com minicarregadora de tração às quatro rodas

Como funciona

Um robô minicarregador com tração às quatro rodas utiliza quatro rodas motrizes dispostas em dois pares, um de cada lado. Todas as rodas de cada lado estão ligadas mecanicamente ou sincronizadas eletronicamente para rodarem à mesma velocidade. A direção é conseguida através de um diferencial de velocidade entre os lados esquerdo e direito — o mesmo princípio que um diferencial de tração às duas rodas, mas com quatro rodas motrizes em vez de duas.

A principal vantagem em relação à tração às duas rodas (2WD) é a tração. Com quatro pontos de contacto em vez de dois, o robô consegue transmitir mais binário do motor ao chão antes de as rodas começarem a patinar. Isto traduz-se diretamente numa maior capacidade de carga útil, melhor capacidade de subida em declives e um deslocamento mais fiável em pisos com contaminação moderada (poeira, humidade ligeira).

A desvantagem é a derrapagem. Quando um robô com tração às quatro rodas faz uma curva, as rodas exteriores deslizam lateralmente pelo chão, uma vez que a sua orientação está fixa. Com rodas de poliuretano sobre epóxi, ouvirá um guincho característico — e observará um desgaste acelerado dos pneus, especialmente nas rodas dianteiras e traseiras, que percorrem a maior distância lateral durante as curvas. Se já viu uma minicarregadora a trabalhar sobre betão, sabe exatamente como é esse som.

Componentes principais

1. Quatro motores de acionamento

Um por roda, normalmente com 200–750 W cada, no caso de robôs de armazém. Os motores BLDC com caixas de engrenagens planetárias continuam a ser a norma. Alguns modelos utilizam dois motores maiores para acionar cada lado através de uma ligação mecânica (correia ou corrente), o que reduz o número de motores, mas aumenta a complexidade mecânica.

2. Sincronização motora

A sincronização eletrónica através de CANopen ou EtherCAT é a abordagem moderna. Os projetos mais antigos ou de menor custo recorrem ao acoplamento mecânico (um único motor de cada lado com um eixo de transmissão e um diferencial), mas isto elimina o controlo independente das rodas.

3. Suspensão

É mais crítico nos robôs 4WD do que nos 2WD. Se uma roda perder o contacto com o solo numa superfície irregular, o robô perde tração nesse lado, proporcionalmente à perda de contacto. A suspensão do tipo «rocker-bogie» ou com braço oscilante independente é comum em robôs 4WD de gama alta. A pré-carga das molas deve ser cuidadosamente ajustada — se for demasiado suave, o robô balança sob carga; se for demasiado rígida, a suspensão não articula.

4. Pneus

Diâmetro superior ao dos equivalentes com tração às duas rodas (normalmente 200–400 mm contra 125–250 mm) para acomodar o curso da suspensão e distribuir as cargas mais elevadas. O poliuretano continua a ser o material padrão; os pneus aparecem em robôs com tração às quatro rodas aptos para utilização no exterior.

Características de desempenho

1. Carga útil

Os robôs de mini-carregadora com tração às quatro rodas (4WD) movimentam habitualmente entre 200 e 2 000 kg. A faixa inferior (200–500 kg) destina-se a robôs compactos de armazém; a faixa superior (1 000–2 000 kg) destina-se a AMRs para movimentação de paletes e empilhadores autónomos. Com quatro pontos de contacto a distribuir a carga, a pressão exercida no pavimento por roda é inferior à de um robô com tração às duas rodas (2WD) que transporte a mesma carga útil, reduzindo assim o desgaste do pavimento e as avarias relacionadas com os rodízios.

2. Velocidade

1,5–2,5 m/s. Na prática, é mais rápido do que a tração às duas rodas (2WD), uma vez que a tração adicional permite uma maior aceleração e desaceleração sem derrapagem das rodas. A velocidade máxima é normalmente limitada pelo alcance do sensor de segurança, e não pela capacidade do motor.

3. Precisão de posicionamento

±5–10 mm. É melhor do que a tração às duas rodas (2WD), uma vez que a redução do deslizamento das rodas torna a odometria baseada no codificador mais fiável. No entanto, o mecanismo de viragem do minicarregador introduz a sua própria fonte de erro — durante uma viragem, o atrito lateral dos pneus é imprevisível e varia consoante o estado do pavimento, o desgaste dos pneus e a distribuição da carga.

4. Requisitos relativos ao pavimento

Mais plano e mais robusto do que os requisitos para veículos com tração às duas rodas. A direção por derrapagem exerce forças laterais sobre a superfície do pavimento em cada curva. Os revestimentos epóxi devem estar devidamente aderidos e ter espessura suficiente para resistir à delaminação. Os pavimentos de betão devem ser selados para evitar a geração de poeira resultante da abrasão dos pneus. A superfície do pavimento apresentará padrões de desgaste visíveis ao longo dos percursos do robô poucas semanas após a sua implantação — isto é normal e deve ser tido em conta no orçamento de manutenção das instalações.

5. Eficiência energética

Menor do que o de um robô com tração às duas rodas (2WD), devido aos quatro motores e à energia perdida com o atrito dos pneus nas curvas. É de esperar um consumo de energia 15–25% superior por metro percorrido, em comparação com um robô 2WD de peso semelhante. Numa aplicação típica de AMR num armazém, um robô 4WD consome 600–1 000 W em deslocação em regime estacionário.

6. Custo

O sistema de tração custa entre 1,5 e 2 vezes mais do que o equivalente com tração às duas rodas. Quatro conjuntos de motor + caixa de velocidades + codificador, quatro controladores, quatro rodas e um sistema de suspensão somam-se aos custos. A suspensão é o fator que mais contribui para o aumento dos custos — uma suspensão independente adequada, com braços oscilantes maquinados e unidades de mola-amortecedor, pode custar tanto quanto os motores que suporta.

Quando escolher uma minicarregadora com tração às quatro rodas

Opte por uma minicarregadora com tração às quatro rodas quando:

• As vossas cargas úteis situam-se entre 500 e 2 000 kg
• Os seus pavimentos são, em geral, planos, mas podem apresentar pequenas imperfeições
• É necessária uma tração superior à da tração às duas rodas (2WD) para acelerar, abrandar ou subir inclinações suaves
• O seu orçamento permite um acréscimo de custos de 1,5 a 2 vezes em relação à versão com tração às duas rodas
• Aceita-se algum desgaste da superfície do pavimento causado pela minicarregadeira

AGV/AMR com direção nas quatro rodas (4WS)

Como funciona

Um robô 4WS utiliza quatro rodas motrizes orientáveis de forma independente — uma em cada canto do chassis. Cada conjunto de roda (por vezes designado por “roda motriz direcionável” ou “roda motriz de direção”) integra dois motores: um motor de tração que impulsiona a roda para a frente e para trás e um motor de direção que faz rodar todo o conjunto da roda em torno de um eixo vertical.

Esta arquitetura com dois motores por roda confere ao sistema de controlo autoridade independente tanto sobre a velocidade como sobre o ângulo de direção de cada roda. O resultado é uma verdadeira mobilidade omnidirecional: o robô pode mover-se para a frente, para trás, lateralmente (modo caranguejo), na diagonal ou rodar no mesmo sítio, podendo alternar entre estes modos sem parar.

A vantagem em termos de precisão deve-se ao codificador absoluto presente em cada eixo de direção. Ao contrário do sistema de tração diferencial, que deduz o ângulo de viragem a partir da velocidade das rodas (uma medição indireta vulnerável ao deslizamento), o sistema 4WS mede diretamente o ângulo de viragem real em cada roda. Um codificador de direção típico tem uma resolução de ±0,1°, o que se traduz num controlo lateral submilimétrico ao nível do chassis.

Componentes principais (por roda)

1. Motor de tração

Motor BLDC com redutor planetário, 200 W–2 kW, dependendo da classe de carga útil. Funciona normalmente a 24–48 VCC, com travão de retenção integrado.

2. Motor de direção

Mais pequeno do que o motor de tração (100–500 W), com uma caixa de velocidades sem-fim ou harmónica de relação elevada para manter o ângulo de direção face às forças exercidas pela estrada. A caixa de velocidades deve permitir o retrocesso suficiente para que o codificador de direção detete perturbações externas, mas ser suficientemente rígida para manter a posição sob carga.

3. Codificador absoluto (eixo de direção)

Este é o componente que define a vantagem da arquitetura em termos de precisão. Normalmente, trata-se de um codificador absoluto multivoltas com uma resolução de 17 a 19 bits, que proporciona uma medição angular precisa mesmo após reinicializações. Não é necessária qualquer rotina de calibração inicial no arranque.

4. Encodador incremental (eixo de tração)

Codificador de quadratura padrão, 1 024–4 096 PPR.

5. Rolamento da direção

Um anel giratório de grande diâmetro ou um rolamento de rolos cruzados que suporta toda a carga vertical desse canto do robô, bem como a carga útil, permitindo simultaneamente uma rotação suave. Trata-se de um componente de elevado custo e alta precisão.

6. Driver/controlador

Um servoacionamento de dois eixos que controla simultaneamente tanto o ângulo de direção como a velocidade de tração. EtherCAT com FSoE (FailSafe over EtherCAT) para integração de segurança funcional.

Características de desempenho

1. Carga útil

O 4WS é a arquitetura destinada a cargas pesadas. As unidades de direção e acionamento individuais de fabricantes como a SEW-Eurodrive e a CFA oferecem capacidades de carga que variam entre 500 kg e mais de 6 500 kg por conjunto de rodas. Um robô 4WS de quatro rodas que utilize unidades de direção e acionamento com dimensões adequadas pode lidar com cargas úteis que seriam impraticáveis com qualquer outra configuração.

É por isso que a 4WS é a arquitetura dominante para empilhadores autónomos, transportadores pesados de paletes e plataformas logísticas ao ar livre. Quando é necessário movimentar 2 000 kg de material e encaixá-lo com uma repetibilidade de ±2 mm numa linha de produção, a 4WS é a única arquitetura com rodas capaz de satisfazer ambos os requisitos em simultâneo.

2. Velocidade

1,0–2,0 m/s. A velocidade máxima é normalmente limitada por questões de segurança e pela capacidade do sistema de direção de manter o controlo do ângulo sob cargas dinâmicas, e não pela potência do motor. A velocidades mais elevadas, os motores de direção têm de trabalhar mais para manter o ângulo do volante face às forças nas curvas, e a largura de banda do circuito de controlo torna-se o fator limitante.

3. Precisão de posicionamento

±2–5 mm no ponto de acoplamento, com uma repetibilidade tão precisa quanto ±2 mm em condições controladas. Esta é a vantagem determinante desta arquitetura. A combinação da medição direta do ângulo de direção (codificadores absolutos), do controlo independente das rodas e da capacidade de corrigir a posição através de movimentos laterais sem reorientar o chassis permite uma precisão que os sistemas diferenciais e de direção por derrapagem não conseguem igualar.

Isto é especialmente importante em aplicações como o manuseamento de pastilhas de semicondutores, a alimentação de precisão em linhas de montagem e a entrega de amostras hospitalares, onde um erro de posicionamento de 10 mm pode resultar numa falha na recolha ou numa colisão.

4. Manobrabilidade: Omnidirecional. Os quatro modos padrão são:

• Modo Ackermann: As rodas dianteiras são direcionáveis, as traseiras são fixas — tal como num carro. Eficaz para percursos longos e em linha reta.
• Modo «Caranguejo»: As quatro rodas viram no mesmo ângulo. O robô desloca-se na diagonal ou lateralmente, mantendo a orientação do chassis. Este aspeto é fundamental para a manobra de acoplamento em corredores estreitos.
• Rotação de raio zero: As rodas viram tangencialmente a um círculo com centro no robô. O robô roda no mesmo sítio, sem translação — o que causa menos desgaste no pavimento do que a rotação com desvio lateral.
• Modo independente: Cada roda é orientada para o seu próprio ângulo. Utilizado para manobras especializadas, como girar em torno de um canto.

5. Requisitos relativos ao pavimento

É menos exigente do que a tração diferencial no que diz respeito à planicidade, uma vez que a suspensão independente em cada canto mantém o contacto com o solo mesmo em variações moderadas da superfície. No entanto, o pavimento deve proporcionar um atrito consistente — uma zona escorregadia sob uma roda durante uma manobra de precisão pode fazer com que essa roda perca a capacidade de direção, e o sistema de localização do robô irá detetar o erro e parar, levando ao fracasso da manobra.

6. Eficiência energética

A configuração com rodas que apresenta o menor consumo. Oito motores (quatro de tração + quatro de direção) consomem energia mesmo quando o robô está parado, porque os motores de direção têm de manter a posição contra forças externas. Na prática, os robôs 4WS consomem 25–40% mais energia por metro do que os robôs 2WD equivalentes. Isto traduz-se em baterias maiores, tempos de carregamento mais longos ou horas de funcionamento reduzidas para a mesma capacidade da bateria.

7. Custo

O sistema de acionamento é 3 a 5 vezes mais caro do que um diferencial de tração às duas rodas (2WD). Faça as contas: quatro unidades de acionamento direcional com dois motores e codificadores absolutos, quatro servoacionamentos de dois eixos, quatro rolamentos giratórios e os chicotes elétricos. Uma unidade de direção de nível industrial — motor, caixa de velocidades, codificador, rolamento, sem controlador — custa entre $1 500 e $4 000, dependendo da classe de carga. Multiplique por quatro. Acrescente quatro controladores de dois eixos a $1.000–$2.000 cada. Chega-se a um custo de $10 000–$24 000 por robô só no sistema de acionamento — sem contar com o chassis, a bateria, os sensores ou o sistema de controlo. Esse é o preço da precisão.

Este custo justifica-se quando os requisitos de precisão e carga útil assim o exigem. Não se justifica quando um robô com diferencial 2WD satisfaria os mesmos requisitos operacionais por um quarto do custo do sistema de transmissão.

Quando optar pelo sistema 4WS (direção nas quatro rodas)

Escolha o 4WS quando:

• É necessária uma precisão de encaixe de ±5 mm ou superior
• As suas instalações têm corredores estreitos que exigem movimentos laterais (em lado a lado)
• A sua carga útil excede os 1 000 kg
• É necessário que o robô mude de direção sem reorientar o seu chassis (transportadores acoplados, cargas sensíveis)
• O vosso pavimento está tão irregular que um diferencial de tração às duas rodas perderia a tração
• A sua aplicação exige que o robô manobre em várias direções em espaços confinados

Não escolha o sistema 4WS quando:

• Um sistema 2WD ou 4WD satisfaz os seus requisitos de precisão e carga útil a um custo mais baixo
• A vossa equipa não está preparada para a complexidade da manutenção (quatro conjuntos de motores duplos, oito codificadores para calibrar, mais modos de falha)
• O seu orçamento energético é limitado (o 4WS implica uma penalização energética de 25–40% em relação ao 2WD)

Robôs móveis sobre lagartas

Como funciona

Um sistema de propulsão por lagartas substitui as rodas por lagartas contínuas — correias reforçadas de borracha ou aço que circulam em torno de um conjunto de rodas dentadas motrizes, rodas-guia e rolos de apoio em cada lado do robô. Cada esteira é acionada de forma independente por um motor através de uma roda dentada motriz, e a direção é do tipo «skid-steer»: basta variar a velocidade da esteira esquerda em relação à direita.

A característica mecânica determinante é a grande área de contacto. Enquanto um robô com rodas distribui o seu peso por quatro pequenas áreas de contacto (as pegadas dos pneus), um robô com lagartas distribui o mesmo peso por todo o comprimento e largura de ambas as lagartas. Isto reduz drasticamente a pressão exercida sobre o solo, razão pela qual os veículos sobre lagartas conseguem atravessar superfícies macias nas quais os veículos com rodas afundam — areia, lama, neve, cascalho solto e solo macio.

As desvantagens são a complexidade mecânica, a velocidade mais baixa, o maior consumo de energia e o risco de danos nas superfícies dos pavimentos interiores.

Componentes principais

1. Rodas dentadas de transmissão

De aço ou alumínio, com dentes que se encaixam nos ressaltos de transmissão da esteira. O motor aciona diretamente a roda dentada através de uma caixa de velocidades planetária. As rodas dentadas maiores reduzem a tensão e o desgaste da esteira, mas aumentam a largura total do robô.

2. Rodas-guia

Rodas não motorizadas na parte dianteira e traseira que mantêm a tensão da correia e a guiam ao longo do seu percurso. Normalmente montadas em mecanismos de tensionamento (ajustadores roscados ou com mola) para definir a tensão correta da correia.

3. Rodas de estrada/rolos de apoio

Rodas mais pequenas entre as rodas-guia que suportam o peso do robô ao longo do troço inferior da esteira. O número e o espaçamento são parâmetros críticos de conceção — um maior número de rodas de apoio distribui a pressão no solo de forma mais uniforme, mas aumenta o peso e a resistência ao rolamento.

4. Faixas

A borracha reforçada com cordões internos de aço ou Kevlar é a norma para os robôs industriais. As lagartas de aço com almofadas de borracha são utilizadas em aplicações de serviço extremo (por exemplo, na construção civil e na mineração). A largura da lagarta e o padrão do piso são selecionados em função do terreno em que serão utilizadas.

5. Motores

Torque superior ao dos robôs com rodas equivalentes, uma vez que o sistema de tração por lagartas é mecanicamente menos eficiente. Um robô com lagartas que transporte a mesma carga útil que um robô com rodas necessita de aproximadamente 25–50% mais torque do motor para superar o atrito das lagartas.

6. Suspensão

As rodas são normalmente montadas num bogie ou numa suspensão com barra de torção para manter o contacto das lagartas com o terreno irregular. Isto não é opcional — um robô com lagartas sem suspensão perde a tensão das lagartas e estas saem dos trilhos em terrenos acidentados.

Características de desempenho

1. Rácio carga útil/peso

Os robôs sobre lagartas transportam uma carga útil proporcionalmente maior em relação ao seu peso do que os robôs sobre rodas. Um robô sobre lagartas de 100 kg pode transportar uma carga útil de 100 kg (proporção de 1:1). Um robô com rodas comparável transporta entre 25 e 33% do seu próprio peso. Isto torna a propulsão sobre lagartas uma opção atraente para aplicações em que o próprio robô tem de ser pequeno e leve, mas a carga útil é substancial — reconhecimento, resposta a catástrofes, amostragem agrícola.

2. Capacidade de circulação em diferentes tipos de terreno

Os robôs com lagartas escalam inclinações mais íngremes (até 34°, segundo testes, contra cerca de 31° para os robôs com rodas), ultrapassam obstáculos 60–100% mais altos e mantêm um melhor alinhamento com o percurso em declives superiores a 15°. Em superfícies macias — areia, lama, neve, solo solto — os robôs com lagartas movem-se onde os robôs com rodas afundam e ficam imobilizados. Esta é a vantagem determinante desta arquitetura e a razão pela qual domina as aplicações ao ar livre, fora de estrada e todo-o-terreno.

3. Velocidade

0,5–1,5 m/s para robôs industriais sobre lagartas. Esta velocidade é inferior à dos equivalentes sobre rodas (que atingem normalmente 1,5–2,5 m/s). A limitação de velocidade tem duas causas: o atrito das lagartas aumenta com a velocidade e os veículos com lagartas são mais difíceis de travar, uma vez que a grande área de contacto com o solo, que proporciona flutuação, também resulta numa maior transferência de impulso para o solo durante a travagem.

4. Precisão de posicionamento

±10–20 mm, o valor mais baixo das quatro arquiteturas. O deslizamento das lagartas é inerente à direção por derrapagem — as lagartas têm de deslizar lateralmente pelo solo durante as curvas, e a magnitude desse deslizamento varia consoante o tipo de superfície, a humidade da superfície, a tensão das lagartas e o desgaste das mesmas. Consequentemente, a odometria proveniente dos codificadores dos motores é pouco fiável. É necessário recorrer ao GPS, ao SLAM visual ou a infraestruturas de localização externas (por exemplo, refletores ou fita magnética) para um posicionamento preciso em robôs com lagartas.

5. Compatibilidade com pavimentos interiores

Mau. As lagartas de borracha sobre betão epóxi ou polido deixam marcas visíveis. As lagartas reforçadas com aço podem riscar pavimentos revestidos. O movimento de desvio lateral esfrega a superfície do pavimento. Os robôs com lagartas não são, em geral, recomendados para pavimentos interiores com acabamento. Se um robô com lagartas tiver de operar em espaços interiores (por exemplo, um robô de construção que se desloca entre áreas interiores e exteriores), são necessárias medidas de proteção do pavimento, e a instalação deve prever no orçamento o retoque regular do pavimento.

6. Eficiência energética

A mais baixa de todas as arquiteturas de transmissão. O atrito da esteira, o grande número de elementos rotativos (rodas dentadas, rodas-guia, rodas de apoio) e a deformação contínua da esteira à medida que esta percorre o seu circuito consomem energia. Os robôs sobre lagartas consomem 25–30% mais energia do que os robôs sobre rodas na mesma superfície e 50% ou mais em terreno acidentado. Um robô sobre lagartas que funciona durante 4 horas com uma bateria pode ter um equivalente sobre rodas que funciona durante 6–8 horas.

7. Custo

O sistema de tração é 1,5–2,5 vezes mais caro do que um diferencial de tração às duas rodas (2WD). As lagartas são itens consumíveis — um conjunto de lagartas industriais de borracha custa entre $500 e $2 000 e tem uma duração de 1 000 a 3 000 horas de funcionamento, dependendo da abrasividade do terreno. A substituição das esteiras é uma rubrica de manutenção significativa que não existe nos robôs com rodas.

Quando optar pela transmissão por lagartas

Escolha uma transmissão por lagartas quando:

• A sua superfície de utilização principal é ao ar livre, não pavimentada, macia ou irregular
• Terá de subir encostas com inclinação superior a 20°
• Tens de ultrapassar obstáculos com mais de 80 mm de altura
• A relação entre a carga útil e o peso do robô tem de ser elevada (0,5:1 ou superior)
• O desgaste do pavimento em espaços interiores não constitui um problema (ou apenas se utiliza o equipamento em espaços interiores durante curtas transições)

Não opte por uma transmissão com lagartas quando:

• A sua superfície de trabalho principal é um pavimento interior com acabamento
• É necessária uma precisão de posicionamento superior a ±10 mm
• É necessário atingir velocidades de deslocamento superiores a 1,5 m/s
• A autonomia da bateria e a eficiência energética são restrições operacionais fundamentais
• Está a implementar em grande escala e pretende evitar a substituição dos carris como um custo de manutenção recorrente

Comparação direta entre sistemas de propulsão de robôs móveis com base em critérios de decisão

Capacidade de carga útil

Diferencial 2WD:     ████████░░░░░░░░░░   Até 500 kg
Minicarregadora 4WD: ██████████████░░░░   Até 2 000 kg
Direção 4WS: ██████████████████   Até 6 500+ kg
Com lagartas: ████████████░░░░░░   Até 2 000+ kg
 (mas com uma excelente relação carga útil/peso)

Precisão de posicionamento (quanto menor, melhor)

A diferença entre ±10 mm e ±2 mm pode parecer pequena. No entanto, num ambiente de produção, é a diferença entre um robô que acopla de forma fiável 99,5% das vezes e outro que requer intervenção manual várias vezes por turno.

Compatibilidade com o tipo de pavimento

Estrutura de custos ao longo de um ciclo de vida de 5 anos

Trata-se de estimativas de ordem de grandeza para um único robô a operar num turno por dia. Uma operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, com 3 turnos, multiplica os custos com consumíveis e manutenção por aproximadamente 2,5 a 3 vezes. Uma frota de 10 robôs multiplica esses custos por 10, mas com algumas economias de escala no inventário de peças sobressalentes e no tempo dos técnicos.

Como escolher o sistema de acionamento AMR adequado?

A escolha do sistema de transmissão resume-se a cinco perguntas. Responda-as por ordem.

Pergunta 1: Onde é que o robô irá operar?

• Pavimentos lisos em espaços interiores (epóxi, betão polido): 2WD, 4WD ou 4WS são todas opções viáveis. A tração 2WD é o ponto de partida com a melhor relação custo-benefício.
• Pavimentos interiores irregulares (betão não selado, fissuras, juntas): 4WD ou 4WS. O 2WD perderá tração e entrará em derrapagem.
• Superfícies ao ar livre, não pavimentadas, macias ou inclinadas: As configurações com lagartas. As configurações com rodas não terão um desempenho fiável.
• Misto (interior/exterior): 4WS (com pneus) ou com lagartas, dependendo da tolerância do revestimento do pavimento interior.

Pergunta 2: Qual é a vossa carga útil máxima?

• < 500 kg: O diferencial 2WD é suficiente e a opção mais económica.
• 500–1 000 kg: Minicarregadora com tração às quatro rodas (4WD) ou direção nas quatro rodas (4WS). A tração às duas rodas (2WD) está no seu limite.
• 1 000–2 000 kg: O sistema 4WS é a opção padrão. A tração às quatro rodas (4WD) é possível com um motor de dimensões adequadas.
• > 2 000 kg: O sistema 4WS é a única arquitetura com rodas viável. As lagartas são uma opção apenas se a superfície assim o exigir.

Pergunta 3: Que precisão de posicionamento necessita?

• ±10 mm ou mais folgado: O diferencial 2WD é adequado. (Típico para a recolha de mercadorias pelo operador e o transporte de zona para zona.)
• ±5–10 mm: 4WD ou 4WS. (Típico para interface com transportadores, recolha de paletes.)
• ±2–5 mm: A 4WS é a única arquitetura que consegue alcançar este objetivo de forma fiável. (Típica para acoplamento em linhas de produção, montagem de precisão e manuseamento de semicondutores.)

Pergunta 4: Quão limitado é o seu espaço?

• Corredores largos (>3 m), percursos simples: Diferencial 2WD. A rotação no local através da direção diferencial é suficiente.
• Corredores estreitos (2–3 m): 4WD ou 4WS. O 4WS com modo «crab» oferece a maior flexibilidade.
• Corredores muito estreitos (<2 m), manobras apertadas: 4WS. O movimento em modo «caranguejo» é a única forma de atracar lateralmente num espaço confinado.
• Ao ar livre, em terreno aberto: Com lagartas ou tração às quatro rodas. As limitações de espaço são menos relevantes; a capacidade de condução em todo o tipo de terreno é o fator determinante.

Pergunta 5: Qual é o seu orçamento disponível?

• Minimizar o custo unitário, implementando em grande escala: Diferencial de tração às duas rodas.
• Um preço ligeiramente mais elevado por mais funcionalidades: Minicarregadora com tração às quatro rodas.
• Orientado para o desempenho, com o custo unitário em segundo plano: 4WS.
• Capacidade de adaptação a qualquer tipo de piso interior: Rastreado.

Matriz de decisão

Normas de segurança e implicações no projeto do sistema de propulsão AMR

O sistema de acionamento está diretamente relacionado com a segurança funcional. As normas de segurança não especificam qual a arquitetura de acionamento a utilizar. No entanto, é a arquitetura que determina a forma como as funções de segurança são implementadas — e quanto custam.

ISO 3691-4: Empilhadores industriais sem condutor

ISO 3691-4:2023 regula a segurança dos veículos industriais sem condutor (veículos guiados automaticamente e robôs móveis autónomos em ambientes industriais). Requisitos fundamentais que interagem com a conceção do sistema de propulsão:

1. Desligamento por binário de segurança (STO)

Cada motor de acionamento deve suportar a função STO — a capacidade de desativar a saída de binário, mantendo a ligação mecânica a nível elétrico. Normalmente, isto é implementado através do controlador do motor (entradas STO no servoacionamento). Num robô 2WD, são necessários dois canais STO. Num robô 4WS, são necessários oito (quatro de tração + quatro de direção).

2. Desempenho de travagem

O robô deve parar dentro de uma distância especificada, sob carga máxima e velocidade máxima. O sistema de travagem (travões eletromagnéticos de retenção nos motores, além de quaisquer travões mecânicos) deve ser dimensionado para o pior cenário possível. Um robô 4WS que desloca 2 000 kg a 2,0 m/s necessita de um binário de travagem substancialmente superior ao de um robô 2WD que desloca 250 kg a 1,5 m/s.

3. Estabilidade

O robô não deve tombar em condições específicas de inclinação, velocidade e carga. O centro de gravidade do sistema de propulsão, a largura da distância entre eixos e a geometria da suspensão são fatores que influenciam o cálculo da estabilidade. Os robôs com lagartas têm uma vantagem inerente em termos de estabilidade, devido à sua ampla área de apoio e ao centro de gravidade baixo.

4. Monitorização da velocidade

O controlador de segurança deve monitorizar de forma independente a velocidade do robô e acionar uma paragem de proteção caso esta exceda o limite configurado. Para tal, são necessários sensores de velocidade redundantes — normalmente os codificadores do motor, juntamente com um sensor independente (radar, segundo codificador ou sistema de medição externo).

ANSI/RIA R15.08: Segurança dos robôs móveis industriais

ANSI/RIA R15.08 é a norma norte-americana relativa à segurança dos robôs móveis industriais. Classifica os robôs em Tipo A (robôs móveis autónomos sem manipulador), Tipo B (AMRs com manipulador) e Tipo C (manipuladores móveis que realizam tarefas em vários locais). Implicações para o sistema de propulsão:

1. Pedidos do tipo A (AMRs apenas para transporte)

Qualquer arquitetura de condução pode cumprir estes requisitos. A responsabilidade pela segurança recai principalmente sobre os sistemas de navegação e de deteção de obstáculos.

2. Pedidos do tipo B/C (AMRs com transportadores e braços robóticos)

A precisão da acoplagem torna-se uma questão de segurança — se o robô não se acoplar com precisão, o manipulador ou a interface do transportador podem falhar de forma a criar um risco. Isto leva à adoção do sistema 4WS quando a tolerância de acoplagem é reduzida.

Custo da segurança funcional por arquitetura

O número de motores determina diretamente o número de canais STO, de eixos com monitorização da velocidade de segurança e de interfaces de codificador com classificação de segurança. Em termos gerais:

• 2WD: 2 canais STO, 2 eixos de velocidade segura. Custo de materiais de segurança mais baixo.
• 4x4: 4 canais STO, 4 eixos de velocidade segura. Custo moderado da lista de materiais (BOM) de segurança.
• 4WS: 8 canais STO (4 de tração + 4 de direção), 8 eixos de velocidade segura. Custo da lista de materiais (BOM) de segurança mais elevado. Os codificadores absolutos com classificação de segurança nos eixos de direção acrescentam $200–$500 por roda.
• Rastreado: 2 canais STO, 2 eixos de velocidade segura. Semelhante ao sistema 2WD, mas o sistema de travagem mecânica poderá ter de ser mais potente devido ao impulso todo-o-terreno do robô.

Estes custos não são insignificantes. No caso de um robô 4WS, só o hardware de segurança funcional — controladores classificados para segurança, PLC de segurança, codificadores de segurança, sensores de segurança — pode exceder o custo da lista de materiais (BOM) de um sistema de acionamento 2WD completo. Já vimos integradores especificarem 4WS para aplicações que um robô 2WD poderia realizar com algumas reparações no pavimento e um corredor mais largo. Isso não é engenharia — é gastar dinheiro que não era necessário gastar. Quando a aplicação exige genuinamente o desempenho de 4WS, a lista de materiais de segurança é um item necessário. Quando não é o caso, é um argumento a favor da simplicidade.

Conclusão: Adapte o sistema de propulsão do robô móvel à sua operação

Após mais de 3 000 palavras a comparar quatro arquiteturas de acionamento com base numa dúzia de critérios, a conclusão não é que um sistema seja o melhor. A conclusão é que a escolha do sistema de acionamento consiste num exercício de correspondência entre os seus requisitos operacionais e os pontos fortes e fracos de cada arquitetura.

A maioria dos projetos de automatização de armazéns deve começar por avaliar um sistema de tração diferencial 2WD. Trata-se da opção mais simples, mais económica e mais eficiente do ponto de vista energético, sendo adequada para a maioria das aplicações logísticas em recintos fechados. Só se deve avançar para níveis de complexidade superiores quando um requisito operacional específico assim o exigir.

A tração às quatro rodas (4WD) é o primeiro passo lógico: maior carga útil, maior tração e um custo ligeiramente superior. A tração às quatro rodas direcionais (4WS) é líder em precisão e carga útil, e o seu custo mais elevado justifica-se quando a acoplagem com precisão de ±2 mm ou o movimento omnidirecional em espaços apertados são requisitos imprescindíveis. A tração por lagartas é a especialista em ambientes exteriores — essencial para terrenos acidentados, mas inadequada para pavimentos interiores com acabamento.

O erro mais caro não é escolher a arquitetura errada. É escolher uma arquitetura com especificações excessivas para uma aplicação que não precisava disso. Uma frota de 20 AMRs com sistemas de tração 4WS num armazém com corredores largos, pavimentos lisos e uma tolerância de acoplamento de ±10 mm — isso equivale a $300,000–$500 000 que deveria ter sido investido num segundo turno de robôs 2WD, em efetores finais de melhor qualidade ou numa expansão do mezanino. Adapte o sistema de tração aos requisitos. Não à ficha técnica.

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