Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação...

Projecto de Automação 2001/2002

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex

Maia & Ferreira


Departamento de Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro

Autores:

Pedro Maia

Rui Ferreira

Extensão e Optimização do Sistema Extensão e Optimização do Sistema Robótico MecHexRobótico MecHex

Orientadores:

Prof. Vítor Santos

Prof. Filipe Silva



Maia & Ferreira

ÍndiceÍndice

1. Objectivos2. Introdução

Pontos Possíveis de IntervençãoSituação InicialExtensão dos Objectivos

3. Tarefas concretizadasLocomoçãoSensorizaçãoIntegração e Controlo

4. Demonstrações5. Conclusões



Maia & Ferreira

1. Objectivos1. Objectivos

Capacidade de movimentação em terrenos irregulares.Percepção mais completa do ambiente.Controlo de movimento mais elaborado.

Introdução de modificações e adaptações no sentido de o tornar Introdução de modificações e adaptações no sentido de o tornar mais versátil e autónomo. As alterações poderão ser quer mais versátil e autónomo. As alterações poderão ser quer estruturais, quer na unidade de controlo e nos sistemas de estruturais, quer na unidade de controlo e nos sistemas de percepção. Pretende-se dotar o sistema das seguintes propriedades percepção. Pretende-se dotar o sistema das seguintes propriedades adicionais:adicionais:



Maia & Ferreira

2. Introdução - Pontos possíveis de intervenção2. Introdução - Pontos possíveis de intervenção

Sistemas alternativos de movimentação das pernas.

Substituição/Interligação das unidades de controlo.

Introdução de sensorização.

Sistema de controlo mais robusto.

Ajuste dos parâmetros de locomoção.



Maia & Ferreira

Limitações/Características: Baixa velocidade de locomoção. Dimensionamento mecânico insuficiente:

• Inadequado apoio dos veios. Elevado peso. Passo de dimensão inadequada - baixa manobrabilidade. Altura de transposição de obstáculos limitada.

2. Introdução - Situação Inicial2. Introdução - Situação Inicial



Maia & Ferreira

2.Introdução - Extensão de objectivos2.Introdução - Extensão de objectivos

1. Exploração/Optimização da unidade de controlo

2. Locomoção - Estudo de uma geometria alternativa.

3. Sensorização - Participação no Festival Nacional de Robótica “Robótica2002”

- Enquadramento da participação no Projecto de Automação.

- Projecto e construção de orgãos mecânicos.

- Elaboração de software para a navegação autonóma.

- Controlo em velocidade dos motores passo-a-passo.

4. Integração e Controlo - Optimização do sistema Robótico “MecHex”

- Integração de um PC, comunicação com PLC.

- Implementação de um sistema de visão – interpretação de ordens gráficas.

- Novo código de PLC.



Maia & Ferreira

Parametrização das PGU’s. Implementação de um novo algoritmo de controlo. Vantagens do novo algoritmo vs anterior:

3.1. 3.1. Exploração/Optimização da unidade de controloExploração/Optimização da unidade de controlo

Na ausência de comando, desbloqueia-se dos motores - aumento da autonomia, menor aquecimento dos motores e drives de potência. Aumento de amplitude de viragem, aquando do desvio de obstáculos. Diferenciação na detecção de obstáculos, consoante o sentido de movimento.



Maia & Ferreira

Estudo de uma geometria alternativa de locomoçãoEstudo de uma geometria alternativa de locomoção

3.2. Locomoção3.2. Locomoção

Objectivos Concepção do Mecanismo

Mecanismo e geometria Estudo cinemático Estudo dinâmico

Projecto do Mecanismo Selecção das dimensões e geometria Cálculo do binário e potência Dimensionamento estrutural

Resultados Finais



Maia & Ferreira

3.2. Locomoção - 3.2. Locomoção - ObjectivosObjectivos

Melhorar a manobrabilidade / redução do passo. Aumentar a altura de transposição de obstáculos Diminuir o peso. Melhorar a eficiência mecânica. Reduzir os valores máximos de binário (ampl.

oscilação vertical).



Maia & Ferreira

3.2. Locomoção - 3.2. Locomoção - Concepção do MecanismoConcepção do Mecanismo

– Mecanismo e geometria– Ligação articulada de quatro elos (“four bar linkage”)

– Diversidade de configurações variando os comprimentos e a localização dos pontos de fixação

– Não existência de juntas lineares (vantagens mecânicas)

Juntas rotacionais

Juntas rotacionaisJuntas rotacionais

Juntas rotacionais

Ponto de contacto com o solo



Maia & Ferreira

– Estudo cinemático– Composição de movimentos e interacção com o solo.– Obtenção das expressões de todos os pontos que

definem a geometria em relação ao ponto de contacto com o solo.

– Trajectória real e simulação utilizando MatLab.

3.2. Locomoção - 3.2. Locomoção - Concepção do MecanismoConcepção do Mecanismo

2 2

5 3 5

2 2

5 3 5

cos cos( )

cos( )

sin sin( )

sin( )

Q

Q

x r r

rQ

y r r

r

1 1 4 4 2

5 3 5

1 1 4 4 2

5 3 5

cos cos cos( )

cos( )

sin sin sin( )

sin( )

R

R

x r r r

rR

y r r r

r

1 1 2

5 3 5

1 1 2

5 3 5

cos cos( )

cos( )

sin sin( )

sin( )

P

P

x r r

rP

y r r

r

2 5 3 2

5 3 5

2 5 3 2

5 3 5

cos cos cos( )

cos( )

sin sin sin( )

sin( )

T

T

x r r r

rT

y r r r

r

2 2 5 3 5

2 2 5 3 5

cos( ) cos( )

sin( ) sin( )O

O

x r rO

y r r



Maia & Ferreira

– Estudo dinâmico– Dimensionamento dos actuadores; binário e potência– Simplificações e considerações:

• Análise de apenas uma perna• Massa concentrada no CM (X0, Y0)• Desprezar o movimento de oscilação em torno do

eixo longitudinal• Movimento apenas no plano horizontal

– Aplicação da equação de Euler-Lagrange utilizando a função Lagrangeano

– Obtenção da expressão analitica final de binário através da toolbox symbolic MatLab (~20.000 caracteres)

3.2 Locomoção - 3.2 Locomoção - Concepção do MecanismoConcepção do Mecanismo

( , ) ( ) ( )i i e i iL q q K q P q

22 2

d Ke Ke P

dt

( , ) ( , )i i i ii

i i

d L q q L q q

dt q q

2 2 22

2 2 2

1 1

2 2

1

2

e x y zK mv m v v v

dx dy dzm

dt dt dt

OP mgy

22 2 2 2 2 24 1 1 2 2 4 1 1 2 2 4 1 1 2 2 1 2 4 3 1 2 1 2 1 2

1 2 2 2 21 2 4 3 1 2 1 2 1 2 4 1

2 2 5

2 sin sin 2 sin sin 2 cos cos 2 cos cos sin sinsin sin 2arctan

2 cos cos sin sin 2 c

cos( ) cos arctanO

r r r r r r r r r r r r r r rr r

r r r r r r r r

x r r

2

1 2 2

22 2 2 2 2 24 1 1 2 2 4 1 1 2 2 4 1 1 2 2 1 2 4 3 1 2 1 2 1 2

1 2 2 2 21 2 4 3 1 2 1 2 1

sinos cos

2 sin sin 2 sin sin 2 cos cos 2 cos cos sin sincos cos 2arctan

2 cos cos sin s

rr


r r r r r r

5

2

2 4 1 1 2 2

cosin 2 cos cos

rr r r

22 2 2 2 2 24 1 1 2 2 4 1 1 2 2 4 1 1 2 2 1 2 4 3 1 2 1 2 1 2

1 2 2 2 21 2 4 3 1 2 1 2 1 2 4 1

2 2 5

2 sin sin 2 sin sin 2 cos cos 2 cos cos sin sinsin sin 2arctan

2 cos cos sin sin 2 c

sin( ) sin arctanO


r r r r r r r r

y r r

2

1 2 2

22 2 2 2 2 24 1 1 2 2 4 1 1 2 2 4 1 1 2 2 1 2 4 3 1 2 1 2 1 2

1 2 2 2 21 2 4 3 1 2 1 2 1

sinos cos

2 sin sin 2 sin sin 2 cos cos 2 cos cos sin sincos cos 2arctan

2 cos cos sin s

rr


r r r r r r

5

2

2 4 1 1 2 2

cosin 2 cos cos

rr r r



Maia & Ferreira

3.2. Locomoção - 3.2. Locomoção - Projecto do MecanismoProjecto do Mecanismo

– Selecção das dimensões e da geometria do passo– Simulação de várias geometrias admitidas intuitivamente

Movimento vertical puro Representação da configuração anterior

Exemplo de uma geometria testada

Exemplo de uma geometria testada

Boa manobrabilidade Situação actual Elevada capacidade de transposição de obstáculos

Boa capacidade de transposição de obstáculos

Consumo energético elevado Situação actual Carácter oscilatório demasiado acentuado

Carácter oscilatório acentuado

Trajectória do CM

Trajectória da perna



Maia & Ferreira


– Selecção das dimensões e da geometria do passo (cont.)

– Incompatibilidade na obtenção simultânea de valores óptimos de passo e altura de transposição

– Solução resultante proporciona um equilíbrio entre as variáveis em causa

Proporciona maior verticalidade na trajectória de aproximação ao solo



Maia & Ferreira


– Cálculo do binário e potência com planeamento de trajectórias– Velocidade de descolagem e contacto com o solo nulas

• Deslocamento angular em função do tempo (poli. 3º grau)

– Binário máximo = 9.5 Nm

– Potência máxima = 34 W

(Massa=50 kg, tempo de passo = 1 s)

22 2

d Ke Ke P

dt

22 2 3( ) 6 6

f f

t t tt t

2 32 2 3( ) 3 2

f f

t t tt t

tttPm



Maia & Ferreira

– Dimensionamento estruturalÉ necessário seleccionar previamente o tipo de material

– Escolha do material (requisitos)• Baixa densidade• Boa maquinabilidade• Baixo custo e facilidade de aquisição• Resistência mecânica adequada• Propriedades mecânicas (tenacidade e resiliência)

compatíveis com os impactos no solo

– Material seleccionado:


Densidade: 1.15Tensão de cedência: 90 MPaResistência à flexão: 2830 MPaResitência ao corte: 66MPaDureza (Shore D): 85

Nylon 6,6



Maia & Ferreira

– Dimensionamento estrutural (cont.)– Modelação sólida da perna utilizando o software de CAD SolidWorks2000

– Estudo de viabilidade estrutural

• Aplicação das solicitações correspondentes à pior situação de exigência mecânica

• Análise estrutural estática utilizando CosmosWorks.


Coeficiente de segurança: 10

Tensão máxima: 8 MPa

Deslocamento máximo: 0.28 mm



Maia & Ferreira

Este mecanismo articulado de locomoção elíptica permite: Uma maior verticalidade na trajectória de aproximação ao solo. Maior manobrabilidade com a redução do passo (linear e rotacional). Explorar as vantagens mecânicas das juntas rotacionais (redução de atritos).

As vantagens não se revelaram suficientemente fortes para justificar a implementação da nova geometria.

Constragimentos geometricos da estrutura Profunda alteração noutros componentes mecânicos necessária

Este estudo foi apresentado no Encontro Cientifico do “Robotica2002” e publicado nas revistas “Robótica” nº 48 e na “Electronica e Telecomunicações, do DET – UA, Abril 2002.

3.2. Locomoção -3.2. Locomoção - Resultados Finais Resultados Finais



Maia & Ferreira

Mecanismo de geometria variável por forma a aumentar a manobrabilidade e simultâneamente a altura de transposição.

Permitiria uma diversidade de trajectórias na fase aérea.

3.2. Locomoção - 3.2. Locomoção - Perspectivas de EvoluçãoPerspectivas de Evolução

Variação do fulcro segundo x

Trajectória do CM

Trajectória da perna

Trajectória da perna depois da variação da geometria



Maia & Ferreira

Enquadramento do Festival no Projecto de Automação

Descrição do Hardware de controlo.

– Diagrama geral de funcionamento

– Projecto e fabrico de orgãos mecânicos.

Elaboração de software para a navegação autonóma.

Considerações

– Alternativa de interpretação da imagem

– Controlo dos motores passa-a-passo como motores DC.

Resultados Finais.

3.3. Sensorização 3.3. Sensorização

Participação no Participação no “Robótica2002”“Robótica2002”



Maia & Ferreira

3.3. Sensorização3.3. Sensorização - - Enquadramento do Festival no Enquadramento do Festival no Projecto de AutomaçãoProjecto de Automação

O porquê da participação?

Melhorar a sensorização.

– Integração de um PC.

– Utilização de visão.

– Melhorar o controlo da locomoção.

A ocorrência do festival em Aveiro.

A participação na prova exigia maior manobrabilidade.

– Implementação de outro tipo de locomoção (rodas) “QuinamaWheel”.



Maia & Ferreira

Caracteristicas da prova robótica – classe UIP

Percorrer duas voltas completas à pista, em forma de oito, com

menor numero de penalizações.

Respeitar sinalização dos semáforos

Composta por 3 mangas, aumentando a complexidade do percurso.

3.3. Sensorização3.3. Sensorização - - Enquadramento do Festival no Enquadramento do Festival no Projecto de AutomaçãoProjecto de Automação



Maia & Ferreira

3.3. Sensorização3.3. Sensorização - - Descrição do Descrição do HardwareHardware de controlo de controlo

Leitura deValores digitais

Escrita de Valores analogicos

USB interface Sensores infra-vermelhoPulsos de controlo

Saida analógica

Sensores; passadeira, tunel, semáforos. Motor passo-a-passo

WebCam

Drives de PotênciaPlaca I/O National

Instruments®

CPU

Diagrama geral de funcionamentoDiagrama geral de funcionamento



Maia & Ferreira

3.3. Sensorização3.3. Sensorização - - Descrição do Descrição do HardwareHardware de controlo de controlo

Realização de desenhos de definição dos novos componentes:

Acoplamentos das rodas aos veios motores.

Colocação de duplo apoio nos veios.

Suportes para os sensores:

Infra-Vermelho, para detecção passadeira,

interpretação do semáforo e detecção túnel.

Contacto

Suporte da WebCam

Projecto e fabrico de orgãos mecânicosProjecto e fabrico de orgãos mecânicos



Maia & Ferreira

3.3. Sensorização3.3. Sensorização - - Elaboração de Elaboração de SoftwareSoftware para para navegação autónomanavegação autónoma

Algoritmo de tarefas sucessivas pré-programadas, baseado na

previsão sequencial de acontecimentos.

Através da sensorização é interpretada a fase ou transição entre

tarefas.

Webcam, sensor da passadeira, sensor do túnel, sensores

dos semáforos e sensores de contacto.

Algoritmo desenvolvido em MatLab e Simulink,

utilizando a toolbox Real Time Windows Target.



Maia & Ferreira

3.3. Sensorização3.3. Sensorização - - Elaboração de Elaboração de SoftwareSoftware para para navegação autónomanavegação autónoma

Sequência de execução do algoritmo de controlo:

Interpretação adequada da imagem face à respectiva

situação ou posição na pista

Prioridade de tarefas

Acções reactivas

Utilização de timeout’s nas fases de transição de tarefas

Navegação sem realimentação com aprendizegem de

parâmetros

Comunicação com a aplicação Simulink e escrita/leitura das

saídas digitais

Inicio

Start

Não

Inicio doControlo

Passadeira = 1Parar

Incremento do numero de passagens

Num_passagens = 5

Fim daProva

não

Virar á esquerda

SinalVermelho = 1

sim

não

Direccao_frente = 0sim

sim

sim

Ir em Frente

Rampaaceleração

Captura/tratamento

imagem

sim

não

existeerro?

Actualizaçãodo erro noReal Time

sim

tempo < 4

cálculo do erroPausa(3)

não

Captura/tratamento

imagem

existe linha?Captura/

tratamentoimagem

não

existeerro?

Actualização do erro noReal Time

sim

simCaptura/

tratamentoimagem

existeerro?


sim

Com linha?? sim

sim

Mantem a médiados últimos 7 erros

não

existelinha?

Captura/tratamento

imagem

Captura/tratamento

imagemnão

pause(1)

sim

sim

Efectuar rampaaceleração??

Captura deuma imagem

Tratamentoda imagem

Rampaaceleração

não

SinalAmarelo =1

Direccao_frente = 0 Direccao_frente = 1nãosim

Inicialização de variáveis,Espera pelo sinal de start,Atribuição de parametros no Simulink

Tunel ?não sim

Captura/tratamentoimagem

não

Captura/tratamento

imagem

cálculo do erro


existeerro?

sim

passadeira =1

não

com imagem ?

S.Direita=1

S.Esquerda =1

Tunel ?

sim

Captura/tratamentoimagem

sim

com imagem ??

S.Direita=1S.Esquerda =1

cálculo do erro

não

atribuição do erro

atribuição do erroatribuição do erro

sim

simcálculo do erro

não

cálculo do erro

sim

nao

nao

não


sim


simnao

naoCálculo do erro

nao

nao

nao



Maia & Ferreira

3.3. Sensorização3.3. Sensorização - - Considerações Considerações

Determinação geométrica da direcção a seguir, baseada na previsão.

12

1 2

212

1

11 2

1

1 21

1

2

1

21

1

2

1 2

cir

cir

cir

cir

cir

cir

tgyx x tg y

x xtgyx x tg

ytg y y

x x

x xy xtgx x

1 2

1 2

2 2 2 21 2 1 2

1 2

1

2cir

x xarctg

y y

Y Y x xx

x x

Uma interpretação alternativa de imagemUma interpretação alternativa de imagem



Maia & Ferreira

Controlo dos motores passo-a-passoControlo dos motores passo-a-passo..

A unidade de controlo deste tipo de motor possuí três sinais principais: clock,

direcção, energise .

A velocidade angular destes motores é definida através do clock (nº de

pulsos por segundo).

O deslocamento angular pelo número total de pulsos .

Exige continuidade na variação da taxa de pulsos

(intervalo de discretização relativamente reduzido).

Caso contrário os campos magnéticos do rotor e do estator dessincronizam-

se bloqueando o motor.

3.3. Sensorização3.3. Sensorização - - Considerações Considerações



Maia & Ferreira

3.3. Sensorização3.3. Sensorização – Resultados Finais. – Resultados Finais. Utilização de visão artificial no controlo de sistemas. Implementação de circuitos eléctricos simples, VCO – Voltage

Control Oscilator e ligações eléctricas de sensores. Utilização de sensores Infra-Vermelho industriais.

Obtenção do terceiro lugar na classe UIP



Maia & Ferreira

3.4. Integração e Controlo3.4. Integração e Controlo

Melhorias ao nível do controlo e sensorização do sistema robótico– Integração de um PC.– Implementação de um sistema de visão, para interpretação de ordens gráficas.– Novo código de PLC– Comunicação PC-PLC

PLC / PGU’sWebCam

PC Onboard

Drives potência

Motor Passo-a-passo

MelDDE

Optimização do sistema Optimização do sistema ”MecHex””MecHex”



Maia & Ferreira

3.4. Integração e Controlo - 3.4. Integração e Controlo - Integração de um PCIntegração de um PC

Objectivos:– Maior diversidade no controlo.– Permitir a integração de sensores mais sofisticados.– Permitir a programação noutra linguagem mais versátil.



Maia & Ferreira

3.4. Integração e Controlo - 3.4. Integração e Controlo - Implementação de Implementação de um sistema de visãoum sistema de visão

Algoritmo de interpretação de ordens gráficas– Determinação/ Verificação de um sinal colorido. – Diferenciação da seta da imagem global.– Determinação da orientação da seta.



Maia & Ferreira

3.4. Integração e Controlo - 3.4. Integração e Controlo - Novo código PLC Novo código PLC

Permite receber instruções do PC Adição de novas funções

– Sincronização automática das pernas – Paragem de emergência imediata.



Maia & Ferreira

3.4. Integração e Controlo - 3.4. Integração e Controlo - Comunicação PC - PLCComunicação PC - PLC

Comunica de forma transparente com o autómato utilizando o MelDDE.– MelDDE: servidor– MatLab: cliente

Escrita e leitura directamente nas variaveis através das funções “ddepoke” e “ddereq” do MatLab.

PLC FX2n PGU FX-1PG

DDEREQ

DDEPOKE

MelDDEMatLab

RS232/RS422

InterfaceTo

From



Maia & Ferreira

3.4. Integração e Controlo – 3.4. Integração e Controlo – Resultados FinaisResultados Finais

Integração de sistemas ou comunicação entre recursos– ligação entre um PLC/PGU’s e um PC através de uma

comunicação transparente, via DDE (Dynamic Data Exchange) e interface RS232/RS422.

Aquisição de capacidades de interpretação de ordens gráficas e sincronização automática.



Maia & Ferreira

Participação na Participação na Feira Ciência, Tecnologia Feira Ciência, Tecnologia e Inovaçãoe Inovação

Demonstração do sistema robótico, a convite da organização. Elevada curiosidade, por parte do público, face a robôs com rodas.

4. Demonstrações4. Demonstrações



Maia & Ferreira

Participação no Fórum Participação no Fórum Ciência VivaCiência Viva

A convite da organização, “Associação Ciência Viva”, devido ao mérito alcançado no “Robotica2002”.

Enquadrou-se na área “Robótica ao Vivo”.

4. Demonstrações4. Demonstrações



Maia & Ferreira

5. Conclusões5. Conclusões Do estudo do mecanismo articulado de locomoção elíptica conclui-se:

A geometria obtida possuí uma maior verticalidade na trajectória de aproximação ao solo.

Explora as vantagens mecânicas das juntas rotacionais (redução de atritos). As vantagens encontradas não se revelaram suficientemente fortes para justificar a

implementação da nova geometria. Constragimentos geometricos da estrutura. Profunda alteração noutros componentes mecânicos necessária.

O sistema “MecHex” adquiriu capacidades de interpretação de ordens gráficas e sincronização automática, através

Da integração de sistemas, recorrendo a novos sensores Comunicação entre recursos via DDE (Dynamic Data Exchange) interface

RS232/RS422. Novo código PLC, com novas funções

Devido à reduzida manobrabilidade do sistema, este não permite o pleno uso das capacidades sensoriais adquiridas.

Numa análise final, na nossa humilde opinião, os objectivos iniciais foram atingidos de uma

forma satisfatória, quer nas metodologias quer nas soluções adoptadas.



Maia & Ferreira

AgradecimentosAgradecimentos

Prof.Dr. Vítor SantosProf.Dr. Filipe SilvaEng. António Festas

Eng.José GonçaloEng.Alberto Leal

Eng.Marco Godinho



Maia & Ferreira

FIMFIM

Infinitamente mais atendida e mais amargamente sentida foi, porém, uma apologia incumensoravelmente enérgica e valorosa, como um acontecimento de um momento grave, extraordinária

afirmação de personalidade, como excelente perlúdio, da finalização do príncipio...

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