Finite Element Method
- Também chamado: FEM, finite element analysis, FEA
- Categoria: Software & tooling › Simulation & twins
- Tags: simulation, soft-robotics, structural-analysis, deformable-bodies, mechanical-design
Uma técnica numérica que divide um sólido em muitos elementos pequenos para calcular como ele se deforma, suporta tensões ou se move sob carga, amplamente usada para robôs macios e peças estruturais.
Definição
Método dos elementos finitos (FEM) (finite element method) refere-se a uma técnica numérica para resolver as equações que governam materiais contínuos, como a forma com que uma peça se flexiona, se estica ou vibra sob carga. Em vez de resolver essas equações de forma exata sobre uma geometria complexa, o FEM divide a geometria em uma malha de elementos pequenos e simples, como tetraedros ou hexaedros, e aproxima o comportamento dentro de cada elemento com funções de forma simples definidas por valores em seus nós.
As equações dos elementos são montadas em um sistema global. Para um problema estático linear, ele assume a forma K·u = f, em que K é a matriz de rigidez, u os deslocamentos dos nós e f as forças aplicadas. Simulações dinâmicas acrescentam termos de massa e amortecimento e avançam o sistema no tempo. Grandes deformações e materiais semelhantes à borracha exigem modelos não lineares, como leis de material hiperelásticas, que são resolvidos de forma iterativa.
Na robótica, o FEM é usado de duas formas principais. No projeto mecânico, os engenheiros analisam tensões e deflexões em braços, suportes, garras e carcaças antes de fabricá-los, verificando se uma peça é rígida e resistente o suficiente. Na robótica macia, o FEM costuma ser a principal forma de simular o próprio robô, porque dedos de silicone, atuadores pneumáticos e braços contínuos se deformam de maneiras que simuladores de corpos rígidos não conseguem representar. Frameworks como o SOFA, com seu plugin de robótica macia, são usados para isso.
O FEM envolve compromissos. Uma malha mais fina é mais precisa, porém mais lenta, o que é um problema para controle e aprendizado, em que são necessárias muitas simulações. Os parâmetros de material dos elastômeros raramente são conhecidos com precisão, então o comportamento simulado muitas vezes difere do robô real. Redução de ordem do modelo, calibração de parâmetros e correções aprendidas são formas comuns de lidar com velocidade e precisão.
Por que importa
Muitas peças de robôs e quase todos os robôs macios não podem ser modelados com precisão como corpos rígidos. O FEM fornece previsões de deformação e tensão fisicamente fundamentadas, orientando o projeto mecânico e fornecendo simuladores para o controle e o aprendizado de robôs macios.
Principais aplicações
- Análise de tensões e deflexões de elos, suportes e garras de robôs
- Simulação de robôs macios, atuadores pneumáticos e braços contínuos
- Modelagem de objetos deformáveis para manipulação, como tecido, alimentos ou tecido biológico
- Otimização de projeto de mecanismos flexíveis
Na prática
Uma equipe de robótica macia que projeta um dedo pneumático normalmente constrói sua geometria em CAD, gera a malha, atribui um modelo de material hiperelástico com parâmetros ajustados a partir de ensaios de tração do silicone e simula a flexão produzida por diferentes pressões nas câmaras. Ela compara as posições simuladas da ponta com medições de captura de movimento do dedo real, ajusta os parâmetros de material ou acrescenta uma correção aprendida onde as duas diferem e então usa o modelo calibrado para projetar controladores ou treinar políticas.
Equívocos comuns
- Os resultados do FEM são exatos — são aproximações cuja precisão depende da malha, do modelo de material e das condições de contorno
- Uma malha mais fina sempre corrige imprecisões — se os parâmetros de material ou as condições de contorno estiverem errados, refinar a malha não ajuda
- O FEM serve apenas para análise de projeto — ele também é usado como simulador para o controle e o aprendizado de robôs macios
Quem deve saber
- Engenheiros mecânicos que projetam estruturas de robôs
- Pesquisadores de robótica macia
- Engenheiros de simulação que modelam corpos deformáveis
Tecnologias relacionadas
- SOFA Framework
- Modelos de material hiperelástico (Hyperelastic Material Models)
- Redução de ordem do modelo (Model Order Reduction)
- Robótica macia (Soft Robotics)
- CAD
- Gêmeo digital (Digital Twin)
Termos relacionados
Projetos relacionados
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