Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide Mestrado Integrado em Engenharia...

Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide

Mestrado Integrado em Engenharia MecânicaUniversidade de Aveiro 2008/2009

Candidato: Rémi Sobreira [email protected]

Orientador: Vítor M. Ferreira dos SantosCo-orientador: Rui A. Da Silva Moreira

Proposta

1- Objectivos2- Introdução3- Projecto Estrutura4- Simulação Movimento Estrutura5- Conclusões6- Trabalhos Futuros

Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

1- OBJECTIVOSMestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Universidade de Aveiro 2008/2009



OBJECTIVOS

Desenvolver a estrutura de um robô humanóide◦Escala Reduzida◦Ágil / Flexível◦Antropomórfica

Implementação de actuação passiva para auxílio dos actuadores activos◦Minimizar binários a desenvolver◦Aumentar a eficiência da marcha



2- INTRODUÇÃOMestrado Integrado em Engenharia Mecânica




Tipos de Robôs Humanóides

“Here we present the design of a passive-

dynamics…”

With its height of 0,57 m and its weight

about 4,5 kg, this innovative robot is

lightweight and compact

Estrutura 100% Mecânica

Estrutura com Actuadores Activos

Necessidade de criar uma

instabilidade no sistema – Fonte

Exterior

Instabilidade do sistema é criada por actuadores

activos

INTRODUÇÃO



Biomecânica

INTRODUÇÃO


Pé e TornozeloJoelho

Biologia

Mecânica

Biomecânica

AncaTronco


3- PROJECTO ESTRUTURAMestrado Integrado em Engenharia Mecânica




Estrutura – ◦ Por onde começar??

Pé, Tornozelo, Joelho, Anca, Tronco, Braços e Cabeça ◦ Materiais??

Alumínio, Acrílico, Aço, Bronze, etc.…

◦ Dimensões?? Antropometria do Corpo Humano

◦ Capacidades?? Graus de Liberdade e Cursos das

articulações equivalentes aos do ser humano

◦ Actuadores?? Activos / Passivos Dimensões e Capacidades

◦ Espaços?? Elementos Activos e passivos Electrónica e Cablagem


PROJECTO ESTRUTURA1- Objectivos2- Introdução3- Projecto Estrutura4- Simulação Movimento Estrutura5- Conclusões6- Trabalhos Futuros

ACTUADORES PASSIVOS◦ Molas;◦ Laminas flexíveis;◦ Elásticos;◦ etc.

ACTUADORES ACTIVOS◦ Motores Convencionais;◦ Servomotores;◦ Motores Passo-a-passo;◦ Motores Lineares;◦ Actuadores Hidráulicos e Pneumáticos◦ etc.

ACTUAÇÃO HÍBRIDA

TIPOS DE ACTUADORES

PROJECTO ESTRUTURA



Neste robô optou-se pela colocação de servomotores que permitir o movimento das articulações

Tensão – 7,4 VCorrente – até 5000 mABinário – 30,0 kg.cmVelocidade – 0,14 sec/60ºDimensões – 40x37x20 mmPeso – 70 g

Apesar de terem um binário bastante elevado (≈3N.m), devido a um peso total da estrutura estimado a 5kg, é necessário proceder a uma desmultiplicação do binário

Para tal optou-se pela utilização de polias e correia dentadas e reforçadas

ACTUADORES ACTIVOS



Molas◦ Helicoidais

Volumosas Geometria cilíndrica rígida

◦ Lamina Geometria rígida

◦ Espiral Difícil de incorporar na estrutura

Elásticos◦ Geometria muito ajustável

Possibilidade de interferências Colocação de pontos de apoio menos exigente

◦ Valor da constante de elasticidade muito variados

ACTUADORES PASSIVOS



PROJECTO ESTRUTURA


Pé (1GL)


PROJECTO ESTRUTURA


Tornozelo (2GL)


PROJECTO ESTRUTURA1- Objectivos2- Introdução3- Projecto Estrutura4- Implementação da Actuação Passiva5- Simulação Movimento Estrutura6- Conclusões7- Trabalhos Futuros


Canela e Joelho (1GL)

PROJECTO ESTRUTURA1- Objectivos2- Introdução3- Projecto Estrutura4- Implementação da Actuação Passiva5- Simulação Movimento Estrutura6- Conclusões7- Trabalhos Futuros


Coxa

PROJECTO ESTRUTURA


Anca (2x3GL)


PROJECTO ESTRUTURA


Tronco (3GL)


PROJECTO ESTRUTURA


Pernas, Anca e Tronco (6+6+3)


PROJECTO ESTRUTURA


Amplitude Movimentos


PROJECTO ESTRUTURA


Dimensões da Estrutura


4- Simulação Movimento Estrutura




SIMULAÇÃO MOVIMENTO ESTRUTURA


Colocação de Actuadores Passivos:◦Minimizar os binários máximos

Diminuição do consumo Melhor resposta dos actuadores activos Aumento da eficiência de movimentos como a

marcha




Criação de um simulador em Simulink◦Demonstrar minimização do binário máximo◦Determinar o valor da constante de

elasticidade para cada actuador passivo◦Determinar posicionamento mais adequado

para cada actuador (em pontos da estrutura em que isso é possível)




Diagrama Simulink

Grafico Binário VS Tempo

Grafico Binario VS Angulo

Simulador SimulinkModelo SimulinkResultados


6- ConclusõesMestrado Integrado em Engenharia Mecânica




CONCLUSÕES1- Objectivos2- Introdução3- Projecto Estrutura4- Simulação Movimento Estrutura5- Conclusões6- Trabalhos Futuros


ESTRUTURA e ACTUAÇÃO ACTIVA Pequenas dimensões e relativamente leve (650mm / 5kg) Antropomorficamente correcta Grande numero de graus de liberdade (15+2GL) Grandes amplitudes de movimentos Construção e montagem cuidada com

ausência de folgas prejudiciais ausência de atritos significativos nas juntas

Relações de transmissão ajustável Tensores de correia ajustáveis Pé com sola flexível

CONCLUSÕES


SIMULAÇÕES e ACTUADORES PASSIVOS Existência de numerosos pontos de apoio para os

actuadores passivos em todas as juntas Tensor de elementos passivos em algumas juntas Determinação da redução do binário a aplicar em cada junta

para um dado movimento Determinação de valores de k adequados


6- TRABALHOS FUTUROSMestrado Integrado em Engenharia Mecânica




TRABALHOS FUTUROS


Conclusão da montagem de pernas e anca(Base pés, elementos estruturais)Teste da estrutura existente

Continuação do projecto mecânico da estrutura (Tronco, braços e cabeça)

Criação e instalação da electrónica de controlo

Criação algoritmo de controlo


Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide


Candidato: Rémi Sobreira [email protected]

Orientador: Vítor M. Ferreira dos SantosCo-orientador: Rui A. Da Silva Moreira

FIMOBRIGADO

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