ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO DE ACTUADORES LINEARES PARA

IMPLEMENTAÇÃO EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA.

Marco MeloVasco Quinteiro

Orientadores:Prof. Filipe SilvaProf. Vítor Santos

ObjectivosObjectivos

ESTUDO COMPARATIVO DE 2 TIPOS DE ACTUADORES LINEARES

POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO NO CAMPO DA ROBÓTICA

I

II

MetodologiaMetodologia_1ºObjectivo_1ºObjectivo

Comparação entre

os dois tipos de actuadores

Compreensão das propriedadesdos actuadores

Definição do tipo de controloadequado

Necessidades VS Propriedades/capacidades

Estudocomparativo

Definição das propriedades

Tabelização das propriedades

MetodologiaMetodologia_2ºObjectivo_2ºObjectivo

Implementaçãoda tecnologia em estruturasde inspiração

biológica

Avaliaçãodo

desempenhoglobal

Avaliaçãodo potencial

Braço antropomórfico

Robô hexápode

Comportamento cinemático

Comportamento dinâmico

Justificação do estudoJustificação do estudo

Incapacidade/ineficiência, total/parcial da tecnologia actual tecnologia actual

em alguns tipos de actuação.

Actuadoresrotacionais

Motores eléctricos

Redutores

Procura de soluções

noutros campos

Cópia de sistemas biológicosEstrutura

Mecanismo

Necessidade de compreensão dos dispositivos

a estudar

ActuadoresActuadores

Músculos Artificiais

Muscle Wires

Nitinol

Air Muscles

Músculos de McKibben

Actuadores Lineares

Muscle wiresMuscle wires_descrição_descrição

Muscle Wires

Fios de liga níquel-titânio de pequenos diâmetros

Transforma o calor induzido por uma corrente eléctrica em movimento mecânico.

Contrai 5 a 10% do seu comprimento total

Muscle wires_Muscle wires_príncipios de funcionamentopríncipios de funcionamento

Estrutura cristalina dinâmica

Transformação martensite-austenite

Contracção e diminuição de comprimento

NITINOLNITINOL

Muscle wires_Muscle wires_propriedadespropriedades

Diâmetros Resistência MáximaCorrente aprox.

TempoTempo de

arrefecimentoTempo de

arrefecimento

(Inches) (Ohms/Inch)Força (gms.)

a temperatura normal (mA)

contracção (segundos)

70° C** (segundos)

90° C ** (segundos)

0.0015 21.0 17 30 1 0.25 0.090.002 12.0 35 50 1 0.3 0.10.003 5.0 80 100 1 0.5 0.20.004 3.0 150 180 1 0.8 0.40.005 1.8 230 250 1 1.6 0.90.006 1.3 330 400 1 2.0 1.20.008 0.8 590 610 1 3.5 2.20.010 0.5 930 1000 1 5.5 3.50.012 0.33 1250 1750 1 8.0 6.00.015 0.2 2000 2750 1 13.0 10.0

Temperatura de inicio de activação 68°C Temperatura de final de activação 78°C

Temperatura efectiva de transição 70°C

Temperatura de inicio de relaxação 52°C

Temperatura de final de relaxação 42°C

Temperatura de Anel 540°C

Temperatura de fusão 1300°C

Capacidade de aquecimento 0.322J/g°C

Calor latente 242J/g

Densidade 645g/cc Eficiência de conversão de energia 5% Razão de Máx. Deformação 8%

Razão Recomendada 3 - 5%

Módulo Young 28GPa

Muscle wires_Muscle wires_príncipios de funcionamentopríncipios de funcionamento

A resistência do fio à corrente eléctrica

gera uma fonte de calor.

Passagem de corrente

Aquecimento do fio

Mudança de forma

Contracção do fio

Muscle wires_Muscle wires_implementação da tecnologiaIimplementação da tecnologiaI

Concepção de robô

Hexápode

Estudo da tecnologia

Permite:

Muscle wires_Muscle wires_implementação da tecnologiaIIimplementação da tecnologiaII

Metas :

Desenvolvimento de interface (PC) Controle dos actuadores

Porta Paralela

Muscle wires_Muscle wires_implementação da tecnologiaIIIimplementação da tecnologiaIII

Metas :

Desenvolvimento de interface (PC)

Teste de padrões de locomoção

Músculo Músculo PneumáticoPneumático

Constituição do Músculo

Malha de Cobre

Tubo de Latex

Conector

-Tamanho ajustável-Peso baixo-Custos reduzidos-Flexibilidade física-Resposta Imediata

Músculo Músculo PneumáticoPneumático

Tipos de Músculos Existentes

Festo AG & Co(Alemanha)

Shadow Robot Company Ltd(UK)

Image SI INC(USA)

-Construção diferente -Propriedades semelhantes -Mesmo funcionamento-Preços variados

BioRobotics LaboratoryCenter for Bioengineering

Universidade de Washington

Músculo Músculo PneumáticoPneumático

Princípio de Funcionamento

Alimentação Pneumática

VálvulaProporcional

Contracçãoe relaxamento

Variação Linear da pressão com

a tensão

Bicep Humano

PLC

Carta Analógica

Músculo Artifical

0-10 volt

Músculo Músculo PneumáticoPneumático

Análise dos resultados obtidos

0

20

40

60

80

100

120

14 15 16 17 18 19 20 21Deslocamento (cm)

Fo

rça

(N)

Pressão (0)

Pressão (1 bar)

Pressão (1.5 bar)

Pressão (2 bar)

Pressão (2.5 bar)

Pressão (3 bar)

Pressão (3.5 bar)

Pressão (4 bar)

Pressão (4.5 bar)

Pressão (5 bar)

Pressão (5.5 bar)

Pressão (6 bar)

15,4 cm

Comprimentoinicial do Músculo

Levantamento vertical de uma carga

Força (N)

Deslocamento (m)

Linearizaçãodo comportamento

do músculo

F=Km*P*(l-lmin)

Constante característica do músculo

Sentido do aumento de Pressão

Curvas deste tipoLei do

comportamentodos músculos desenvolvidos

Músculo Músculo PneumáticoPneumático

Modelo teórico para a simulação e controlo

Diagrama de blocos do controlador de posição no espaço das juntas

Controlador

de posição

Reguladorde binário

Actuadoreléctrico

Robô

Modelo geométrico daestrutura biomecânica

do braço humano

Modelo teórico paraa simulação e controlo

do braço mecânico

Concretizaçãodo modeloproposto

Software desenvolvido

em Matlab

De acordo comas observaçõesanatómicas do

ombro e do cotovelo

Erro=d -

d=deslocamento angular desejado

=Desloamneto angulardo braço produzido

Músculo Músculo PneumáticoPneumático

Resultados obtidos da análise teórica(no caso dos motores ideais)

DeslocamentoVelocidadeAceleraçãodas juntas

Binários necessáriaspara efectuar o

movimento

EspaçoCartesiano

EspaçoJuntas

Termos inerciaisCoriolis/centrifugos

Gravitacionais

Músculo PneumáticoMúsculo Pneumático

EspaçoMúsculos

Espaço dascartesiano

DeslocamentoVelocidadeAceleração

dos músculos no cotovelo

DeslocamentoVelocidadeAceleração

dos músculos no ombro

Forças necessárias impornos 4 músculos (2 no ombro,

2 no cotovelo) para efectuar o movimento pretendido

Resultados obtidos da análise teórica(no caso dos músculos)

Novo espaçooperacional

Músculo PneumáticoMúsculo Pneumático

Aplicação dos músculos e estudo do modelo teórico

Optimizar a geometria do braço e a fixaçãodos músculos em função dos resultados teóricosAvaliação teórica do comportamento dinâmico dosmúsculos desenvolvidos, tendo em conta a lei do comportamento destes

Controlador

de posição

Diagrama de blocos do controlador de posição no espaço dos músculos.

Tipo de controlo a implementar para os Actuadores Musculares

Reguladorde pressão

Músculo Robô

Músculo PneumáticoMúsculo Pneumático

Aplicação dos músculos e estudo do modelo teórico na prática

Elaboração de um braço mecânico composto por 2 juntas com 2 graus de liberdade accionado pelos músculos

-Inspiraçãobiológica

-Estruturalmenteviável