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Desenvolvimento de uma plataforma Desenvolvimento de uma plataforma humanóide autónoma de custo limitado: humanóide autónoma de custo limitado: Componentes e Soluções TecnológicasComponentes e Soluções Tecnológicas
Autores:Autores:
A. CardosoA. CardosoL. GomesL. GomesN. PereiraN. PereiraM. SilvaM. SilvaV. SantosV. SantosF. SilvaF. Silva
Departamento de Engenharia Mecânica - Universidade de Aveiro
Sumário:Sumário: Motivações:Motivações:
Motivações de grandes empresas;Motivações de grandes empresas; Motivações do DEM da UA;Motivações do DEM da UA;
Parte estrutural:Parte estrutural: Requisitos na concepção;Requisitos na concepção; Plataforma modelada;Plataforma modelada; Análise estática;Análise estática;
Actuação e percepção:Actuação e percepção: Sensores e percepção;Sensores e percepção; Hierarquia do controlo distribuído;Hierarquia do controlo distribuído; Controlo velocidade;Controlo velocidade;
Motivos para a construção de um Motivos para a construção de um humanóide por grandes empresas:humanóide por grandes empresas:
Sonho de imitar o ser humano;Sonho de imitar o ser humano; Plataforma robótica de enorme Plataforma robótica de enorme
versatilidade, que se pode adaptar a versatilidade, que se pode adaptar a diversas tarefas;diversas tarefas;
Indústria de entretenimento;Indústria de entretenimento; Robótica de serviços (questões Robótica de serviços (questões
psicológicas);psicológicas);
Humanóides mais conhecidos:Humanóides mais conhecidos:QRIO (Sony) e ASIMO (Honda)QRIO (Sony) e ASIMO (Honda)
http://www.plyojump.com
Outros humanóides menos Outros humanóides menos conhecidosconhecidos::
HRP 1S (Kawada) e Nuvo (ZMP)HRP 1S (Kawada) e Nuvo (ZMP)
http://www.kawada.co.jp/ams/hrp-2/index_e.html
HRP tem prevista a sua
comercialização em 2008 por
$360.000
http://www.plyojump.com/zmp.html
Nuvo está em comercialização desde Março de
2004 por
$4.600
Motivos para a construção de Motivos para a construção de um humanóide no DEM da UA:um humanóide no DEM da UA:
Aplicar e desenvolver conhecimentos Aplicar e desenvolver conhecimentos técnicos e de engenharia num projecto de técnicos e de engenharia num projecto de elevada exigência;elevada exigência;
Desenvolver uma plataforma para Desenvolver uma plataforma para participar no RoboCup, na classe KidSize participar no RoboCup, na classe KidSize de humanóides;de humanóides;
Construir uma plataforma para futuro Construir uma plataforma para futuro trabalho de investigação;trabalho de investigação;
Requisitos gerais na concepção:Requisitos gerais na concepção:
Aplicação Material Densidade (g/cm3) Resistência (MPa)
Estrutura / Mecanismos Alumínio 2.7 545 – 600
Casquilhos Bronze 8.9 610
Veios Aço 7.8 1270 – 1320
Ligações Nylon 1.4 90
• Graus de liberdade (DOF) suficientes para locomoção versátil (jogar futebol na RoboCup!);
• Actuadores e baterias existentes no mercado (custo, dimensões, peso, binário, corrente, etc.);
• Possibilidade de afinação das transmissões;
• Estrutura e proporções para participar no RoboCup;
• Materiais leves mas resistentes;
Juntas e graus de liberdade:Juntas e graus de liberdade:
• Junta universal nos pés (2 DOF), para fácil locomoção;
• Junta esférica na anca (3 DOF) para permitir mudança de direcção;
• Junta universal na cintura para “ajudar” o arranque e equilíbrio lateral do robot;
•Junta universal nos ombros, para “ajudar” a locomoção e futuras aplicações;
• Junta universal no pescoço para poder “olhar” em volta e para o chão;
Pé
Joelho
Anca
Estrutura
superior
A plataforma em números:A plataforma em números:
Estrutura Peso (g)
Pé 355 (2x)
Tornozelo 81 (2x)
Perna 413 (2x)
Coxa 344 (2x)
Anca 294 (2x)
Barra Anca 964
Cintura 217
Peito 286
Braço 164 (2x)
Pescoço 52
Cabeça 136
Total 4993
Amplitude (graus)
Pé (lado) -35º a +35º
Pé (frente) -30º a +60º
Joelho -45º a +55º
Anca (frente) -60º a +60
Anca (lado) -70º a +21º
Anca (virar) -90º a +90º
Cintura (lado) -20º a +20º
Cintura (frente) -90º a +20º
Pescoço (lado) -90º a +90º
Pescoço (vertical) -90º a +20º
Ombro (frente) -90º a +90º
Ombro (lado) 0º a +90º
Cotovelo -90º a +90º
Peso de cada elo:Amplitude de movimentos:
60cm
Pés: 20 x 8 [cm]25cm
Análise estática:Análise estática:binários e centros de massabinários e centros de massa
Motor / JuntaBinário Máximo nesta
simulação (N.m)
Tornozelo – lado 2.37
Tornozelo – frente 0.30
Joelho 1.17
Anca – frente 0.35
Anca – lado 2.57
Posição central
Inclina ao lado
Levanta pé livre
Leva pé livre à frente do de apoio
Apoia pé livre no chão
Inclina ao lado oposto
Levanta pé livre
Leva pé livre ao lado do de apoio
Inclina ao centro (posição central)
Próximo passo
Parar
Actuadores e bateriasActuadores e baterias
HITEC Modelo Massa (g) Binário (N.m)
Motor Pequeno HS85BB 19.8 0.35
Motor Médio HS715BB 110 1.08
Motor Grande HS805BB 152 2.26
MSI Li-Ion Cells Valor
Modelo 4LI – 2400
Tensão 7.2 V
Capacidade 4800 mAh
Corrente max. Sustentada 9.6 A
Dimensões (mm) 37 x 37 x 65
Peso (g) 176
Necessidade de razões de transmissão superior a 2, para garantir coeficiente de segurança!!
Escolha dos sensores e Escolha dos sensores e unidades de percepçãounidades de percepção
Potenciómetros (posição das juntas);Potenciómetros (posição das juntas); Futura unidade de visão (percepção do Futura unidade de visão (percepção do
ambiente);ambiente); Determinação da corrente consumida por cada Determinação da corrente consumida por cada
um dos motores;um dos motores; Sensores de força (estado de equilíbrio);Sensores de força (estado de equilíbrio); Inclinómetros (inclinação das diferentes Inclinómetros (inclinação das diferentes
partes…);partes…); Giroscópios (determinação de velocidades Giroscópios (determinação de velocidades
angulares);angulares);
Distribuição dos sensoresDistribuição dos sensores
InclinómetroInclinómetro
Giroscópio Giroscópio
Potenciómetro Potenciómetro (Motores)(Motores)
Motor (Motor (HITEC 815BB+)HITEC 815BB+)
Pé sensível à forçaPé sensível à força
MURATA MURATA
-ENC-03J-ENC-03J
ANALOG DEVICE ANALOG DEVICE - ADXL202JE- ADXL202JE
Unidade de Unidade de visão visão (Cabeça)(Cabeça)
Determinação da Determinação da corrente consumidacorrente consumida
Resistência Resistência de potênciade potência
Desenvolvimento de um protótipoDesenvolvimento de um protótipode pé sensível à forçade pé sensível à força
Pé com 4 SensoresPé com 4 Sensores
Material – AcrílicoMaterial – Acrílico
Medição da deformaçãoMedição da deformaçãoPonte Ponte WheatstoneWheatstone + Amplificador de + Amplificador de
instrumentaçãoinstrumentação
ExtensómetroExtensómetro
Protótipo construído para testesProtótipo construído para testes
Pé sensível à força : Pé sensível à força : Calibração Calibração
Extensómetro
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 500 1000 1500
(g)
(0..
.256
)(0.
..5v
)
Relação praticamente Relação praticamente linear entre o peso (força) linear entre o peso (força) e o valor medido;e o valor medido;
Coeficientes de correlação Coeficientes de correlação para as curvas dos 4 para as curvas dos 4 extensómetros variam extensómetros variam entre 0.983 e 0.998;entre 0.983 e 0.998;
Exemplo do funcionamento do péExemplo do funcionamento do pé
Resposta do motor às forças no péResposta do motor às forças no pé
Hierarquia do controlo Hierarquia do controlo distribuídodistribuído
Unidade de controlo principal:Unidade de controlo principal: Decisões de alto nível e Decisões de alto nível e
algoritmos de visão artificial;algoritmos de visão artificial;
Controlador mestre;Controlador mestre; Distribui ordens e recolhe Distribui ordens e recolhe
dados dos escravos;dados dos escravos;
Controladores escravos;Controladores escravos; Controlo de 3 motores no Controlo de 3 motores no
máximo por módulo;máximo por módulo; Aquisição dos valores Aquisição dos valores
sensoriais;sensoriais;
CONTROLO PRINCIPALCONTROLO PRINCIPAL
RS232RS232
MESTREMESTRE
CAN CAN BUSBUS
1
23 1
2
3
1
2
3
1
21
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
ESCRAVOS ESCRAVOS
Vantagens do controlo Vantagens do controlo distribuídodistribuído
Distribuição das tarefas pelos vários módulos;Distribuição das tarefas pelos vários módulos; Funcionamento em paralelo – mais eficiente;Funcionamento em paralelo – mais eficiente;
Possibilidade de algoritmos locais de controlo;Possibilidade de algoritmos locais de controlo;
Funcionamento independente dos vários Funcionamento independente dos vários módulos;módulos; Melhor diagnóstico;Melhor diagnóstico;
Maior tolerância a falhas locais;Maior tolerância a falhas locais;
Módulos de controlo escravoMódulos de controlo escravo
Resistências de potência
Endereçamento
do módulo escravo
3 Portas para controlo dos servomotores
Unidade de comunicação CAN
Unidade para aquisição de sinais analógicos (16 Máx.)
Porta de comunicação série RS232
Comunicações entre a unidade Comunicações entre a unidade principal de controlo e o mestreprincipal de controlo e o mestre
Mensagens possíveis:Mensagens possíveis:
1.1. Leitura dos valores sensoriais de Leitura dos valores sensoriais de um escravo a indicar;um escravo a indicar;
2.2. Leitura da posição de qualquer Leitura da posição de qualquer articulação do sistema;articulação do sistema;
3.3. Leitura dos valores dos Leitura dos valores dos proveniente dos sensores;proveniente dos sensores;
4.4. Alterar a posição e a velocidade de Alterar a posição e a velocidade de qualquer junta do sistema;qualquer junta do sistema;
1º Byte2º Byte
RS232
Identificação da mensagem
Valor da posição [0º-180º]
MESTRE
7 6 5 4 3 2 1 0
Número da junta
Número do módulo de controlo
Tipo de mensagem
3º ByteValor da velocidade [0-5]ControloPrincipal
Variação de velocidade em Variação de velocidade em servomotores de posiçãoservomotores de posição
Solução implementada:Solução implementada: Controlo de velocidade por Controlo de velocidade por
software em malha fechada;software em malha fechada;
Objectivo: Adaptar o controlo para implementar Objectivo: Adaptar o controlo para implementar velocidades variáveis em servomotores de posição.velocidades variáveis em servomotores de posição.
Ponto de situaçãoPonto de situação
Estrutura – transmissão por polia/correia Estrutura – transmissão por polia/correia dentada em todas as juntas onde a actuação dentada em todas as juntas onde a actuação não é directa;não é directa;
Padrões de locomoção a um nível ainda básico;Padrões de locomoção a um nível ainda básico; Unidade de controlo;Unidade de controlo;
Mestre e escravo: em fabrico (SMD);Mestre e escravo: em fabrico (SMD); Sensores: placa de piggy-back em Sensores: placa de piggy-back em
desenvolvimento;desenvolvimento; Pé em desenvolvimento;Pé em desenvolvimento; Controlo central e visão ainda a definir;Controlo central e visão ainda a definir;
Conclusões e perspectivas futurasConclusões e perspectivas futuras
Solução mecânica; Arquitectura distribuída; Sensor força; Giroscópio e acelerómetro;
OBJECTIVO:Participar no RoboCup 2006 na classe para humanóides.
Desenvolvimento de uma plataforma Desenvolvimento de uma plataforma humanóide autónoma de custo limitado: humanóide autónoma de custo limitado: Componentes e Soluções TecnológicasComponentes e Soluções Tecnológicas
Autores:Autores:
A. CardosoA. CardosoL. GomesL. GomesN. PereiraN. PereiraM. SilvaM. SilvaV. SantosV. SantosF. SilvaF. Silva
Departamento de Engenharia Mecânica - Universidade de Aveiro