Projecto de Automação 2001/2002
Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex
Maia & Ferreira
Projecto de Automação 2001/2002
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
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Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex
Maia & Ferreira
ÍndiceÍndice
1. Objectivos2. Introdução
Pontos Possíveis de IntervençãoSituação InicialExtensão dos Objectivos
3. Tarefas concretizadasLocomoçãoSensorizaçãoIntegração e Controlo
4. Demonstrações5. Conclusões
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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:
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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).
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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
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– 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
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– 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 r r r r r r r r rr r
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 r r r r r r rr r
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 r r r r r r r r rr r
r r r r r r
5
2
2 4 1 1 2 2
cosin 2 cos cos
rr r r
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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
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3.2. Locomoção - 3.2. Locomoção - Projecto do MecanismoProjecto do Mecanismo
– 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
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3.2. Locomoção - 3.2. Locomoção - Projecto do MecanismoProjecto do Mecanismo
– 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
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– 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:
3.2. Locomoção - 3.2. Locomoção - Projecto do MecanismoProjecto do Mecanismo
Densidade: 1.15Tensão de cedência: 90 MPaResistência à flexão: 2830 MPaResitência ao corte: 66MPaDureza (Shore D): 85
Nylon 6,6
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– 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.
3.2. Locomoção - 3.2. Locomoção - Projecto do MecanismoProjecto do Mecanismo
Coeficiente de segurança: 10
Tensão máxima: 8 MPa
Deslocamento máximo: 0.28 mm
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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
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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
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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”
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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”.
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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
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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
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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
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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.
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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?
Actualização do erro noReal Time
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
Actualização do erro noReal Time
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
atribuição do erro
sim
atribuição do erro
simnao
naoCálculo do erro
nao
nao
nao
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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
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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
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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
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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”
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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.
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AgradecimentosAgradecimentos
Prof.Dr. Vítor SantosProf.Dr. Filipe SilvaEng. António Festas
Eng.José GonçaloEng.Alberto Leal
Eng.Marco Godinho
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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...