Se essa vertical cair fora da base, o corpo tombará (veja na figura). Para uma pessoa, isso significa que o equilíbrio é obtido quando a vertical de nosso centro de gravidade cai dentro da área abrangida pelos nossos pés, observe a figura 2.



Partindo agora da situação em que estamos em pé e nos inclinamos ligeiramente para a frente, isso faz com que haja uma tendência de sairmos da condição de equilíbrio. A vertical do centro de gravidade tende a sair fora da área abrangida pelos nossos pés.

Se nada for feito, o movimento de inclinação continuará até sair de controle e então “daremos com a cara no chão!”

Entretanto, nosso corpo tem um sensor que detecta o movimento de inclinação e pode informar ao cérebro sobre o que está ocorrendo e ele, com isso, pode mandar comandos para corrigir a situação. O sensor é uma cavidade cheia de líquido e cílios dentro de nosso ouvido interno, veja ilustração na figura 3.



Assim, quando nos inclinamos levemente, o líquido no interior do ouvido interno muda de posição e isso é sentido pelos cílios que enviam ao cérebro uma informação. A reação é um comando que atua sobre os músculos de nossas pernas e do corpo, movimentando-as para frente, ou alterando a posição de modo a manter o equilíbrio.

Toda a ação é muito rápida e até mesmo inconsciente (não tomamos conhecimento dela), e com pequenos e imperceptíveis movimentos para frente e para trás o nosso corpo é mantido em equilíbrio quando estamos parados.

Veja que uma certa dose de álcool pode afetar o funcionamento desse sensor e do próprio cérebro, que então terá maior dificuldade em comandar o equilíbrio. Daí o fato bem conhecido de que pessoas alcoolizadas tendem a balancear para um lado e para outro procurando manter o equilíbrio, o que nem sempre conseguem...

Se você vai caminhar, ao inclinar o corpo para frente, novamente o seu sistema sensor percebe o que está acontecendo e desta vez, em lugar de movimentar o corpo ou a perna apenas para manter o equilíbrio, ele joga a perna para frente de modo a dar um passo. O movimento deve ser muito bem sincronizado com o sensoriamento de modo que o equilíbrio ao andar seja mantido, pois depende da velocidade, da inclinação do terreno e até do fato da pessoa estar carregando algum peso.

Esse processo, que mantém o equilíbrio quando estamos parados e quando andamos, é denominado estabilização dinâmica, sendo o ponto mais crítico do projeto de um veículo como o Segway.

Somente com a disponibilidade de sensores apropriados e, principalmente, de processadores capazes de trabalhar em tempo real com os sinais dos sensores, é que ele se tornou possível. Isso ocorreu com o advento dos DSPs (Digital Signal Processors) ou processadores digitais de sinais.

Os DSPs podem processar rapidamente os sinais dos sensores e determinar quanto de movimento as rodas devem fazer para frente e para trás de modo a manter o equilíbrio, e isso de uma maneira extremamente rápida, o suficiente para não dar tempo do passageiro cair.

Sensores de posição, velocidade, além de outros são usados de uma forma muito bem planejada que dota o veículo das características únicas que ele apresenta.

Sensores e processamento

Na figura 4 temos um diagrama de blocos que representa as funções que encontramos em um veículo típico de duas rodas.



O primeiro bloco corresponde aos sensores primários, que consistem em um conjunto de giroscópios. Os giroscópios são usados amplamente em sistemas de orientação e manutenção de posição como, por exemplo, no caso de pilotos automáticos e dispositivos antibalanço de navios de passageiros.

Um disco que gire rapidamente tende a se manter na orientação, resistindo a qualquer força externa que tenda a mudar sua posição, conforme ilustra a figura 5.



Os giroscópios comuns são formados por pesados discos de metal que giram em rotações extremamente elevadas, chegando a mais de 100 000 rpm em alguns casos.

Para um veículo como o Segway, um giroscópio desse tipo seria inviável, por isso a solução encontrada está no uso de giroscópios de estado sólido. Esses dispositivos de lâminas vibrantes são semelhantes aos que a natureza emprega nas libélulas, consistindo portanto em uma solução biônica.

Uma lâmina de quartzo que vibre numa freqüência extremamente alta, exatamente como o disco de um giroscópio, tende a resistir a qualquer mudança da orientação dessas vibrações, gerando com isso um sinal que pode ser captado por um circuito externo.

Qualquer mudança de posição desses sensores faz com que surja uma força reativa e ao mesmo tempo um sinal externo, observe a figura 6.

Esses sensores são extremamente pequenos, do tamanho de circuitos integrados comuns, e muito sensíveis também, o que facilita bastante seu uso em aplicações como o Segway.

Existe até uma aplicação muito interessante para esses sensores que merece destaque, que é nos mouses sem fio que detectam movimentos tridimensionais. Conforme exibe a figura 7, esses mouses podem ser movimentados no espaço, com sua posição e movimento relativos enviados sem fio a um computador.



Nos veículos de duas rodas, conjuntos desses sensores são posicionados de modo a detectar mudanças de posição em três eixos, fornecendo sinais complexos para o processador de sinais que, então, determina exatamente os movimentos que devem ser efetivados.

No Segway, por exemplo, existem 5 desses sensores, sendo dois utilizados para dar redundância à informação.

Os sinais desses sensores vão para um sistema de processadores, que podem ser microprocessadores ligados em paralelo ou DSPs. Na realidade, a capacidade de processamento exigida para um veículo desse tipo é grande, e os processadores empregados se assemelham a diversos PCs ligados em conjunto.

Vão também para os processadores os sinais de comando, que correspondem ao ato de empurrar para frente e para trás a haste de comando quando se deseja movimentar o veículo, mesmo que sem inclinar o corpo.

Na saída dos processadores existem os circuitos de controle que atuam diretamente sobre os motores que propulsionam o veículo e inclusive fornecem informações adicionais para o operador e outros dispositivos.

Tudo isso deve ser alimentado por uma boa bateria, com capacidade de levar o peso do veículo e do operador a uma boa velocidade. Baterias recarregáveis com um sistema eficiente de carga são recomendadas.

É claro que o custo de um veículo desse tipo é alto, se bem que, no futuro, como qualquer dispositivo de alta tecnologia, a produção em massa o tornará acessível a muitos.



Hoje, apenas em aplicações especiais encontramos os veículos de duas rodas. Por exemplo, algumas cidades já o utilizam no policiamento de parques e de calçadões. Podemos vê-los também no patrulhamento de shoppings e sistemas de segurança.

O transporte de portadores de pequenas mercadorias em indústrias, grandes escritórios, lojas e shoppings é outra aplicação. Enfim, a capacidade de se obter um equilíbrio dinâmico de um veículo desse tipo, empregando apenas duas rodas, torna-o uma solução bastante interessante para o transporte individual, a qual certamente deverá ser adotada de maneira intensa no futuro.

*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Fácil - Ano 6 - Edição 35 - Jul/Ago/07