ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO DE ACTUADORES LINEARES PARA IMPLEMENTAÇÃO EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA Realizado por: Marco Melo Vasco Quinteiro Orientadores:

ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO DE ACTUADORES LINEARES PARA

IMPLEMENTAÇÃO EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA

Realizado por:Marco MeloVasco Quinteiro

Orientadores:Prof. Dr. Filipe SilvaProf. Dr. Vítor Santos

Departamento de EngenhariaDepartamento de EngenhariaMecânica, UAMecânica, UA

ObjectivosObjectivos

Estudo de dois tipos de actuadores lineares

Potencial de utilização no campo da robótica

I

II

- Compreensão das propriedades dos actuadores

- Definição do tipo de controlo adequado

- Implementação da tecnologia em estruturas de inspiração biológica

- Avaliação do desempenho global

- Comparação entre os dois tipos de actuadores

- Comportamento cinemático- Comportamento dinâmico

DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Muscle WiresMuscle Wires

Muscle Wires

Fios de liga níquel-titânio de pequenos diâmetros (100μm)

Transforma o calor induzido por uma corrente eléctrica (180mA) em movimento mecânico

Contrai 5 a 10% do seu comprimento total

Características e Propriedades



Concepção do Robô Hexápode

- Contacto prático com a tecnologia

8 Muscle Wires a funcionar independentemente



Desenvolvimento da placa de interface (PC)

Teste de padrões de locomoção

Através dos impulsos,a placa envia corrente para

cada músculo

A passagem da correnteproporciona os padrões

de locomoção pretendidos

Concepção de meios de controlo



Porta Paralela -envio do padrãode locomoção

Placa de interfacecom o robô –

Corrente para cada Muscle Wire

Robô Hexápode

Envio de comandosatravés do teclado

Computador 486dx2Programa em BASIC

Esquema do funcionamento do Robô


Músculo Músculo PneumáticoPneumático

Constituição do Músculo

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



Princípio de Funcionamento

Alimentação Pneumática

VálvulaProporcional

Contracçãoe relaxamento

Variação Linear da pressão com

a corrente

Músculo ArtificialDEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002


Modelo teórico estático

b – Comprimento de um fio da malha para um comprimento Le diâmetro D

L – Comprimento da malha

D – Diâmetro da malha

P’ – Pressão interna imposta

F – Força imposta

31

'

4 2

2

2 b

bP

nFL

n – número de voltas que um fiode comprimento b dá a uma malha de comprimento L


Músculo PneumáticoMúsculo Pneumático

Modelo teórico estático

Representação do comportamento de um músculo segundo o modelo teórico estático proposto

Valores de b e n obtidos para os correspondentes valores de L estipulados

Valores utilizadospara o cálculo dosvalores da tabela

31

'

4 2

2

2 b

bP

nFL


Músculo Músculo PneumáticoPneumáticoPropriedades e Propriedades e características características II

Diâmetro Diâmetro da da

MalhaMalha

ComprimentoComprimentoInicialInicial

INFLUÊNCIAINFLUÊNCIA

6 Músculos

11,16, 22 cm11,16, 22 cm

17, 22 mm17, 22 mm

Comprimento inicial

Diâmetro malhaDEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Propriedades e Propriedades e características características IIII


Pressão de alimentaçãoPressão de alimentação

Massa Massa

[ 0 .. 6] Bar[ 0 .. 6] Bar

[ 0.5 .. 11] [ 0.5 .. 11] KgKg

HdHd



Propriedades e Propriedades e características características IIIIII


Músculo Músculo PneumáticoPneumáticoPropriedades e Propriedades e características características IVIV

Ymédio=mx+bYmédio=mx+b

Aproximação aAproximação aModelo estáticoModelo estático


Braço PneumáticoBraço Pneumático

Modelo Modelo Biomecânico Biomecânico

bicípede braquial

Deltóide anterior

tricipede braquial


1

011rS

011rC

1b

r

1b 11F

101

Modelo Modelo geométrico geométrico II

Músculo Flexor Ombro



Modelo Modelo geométrico geométrico IIII

101122

111 cos2 rbrbz

1

11

101111

sin

zrb

z

11012

12

11

1011

101

11

111

sinsin

...cos

z

rbz

rbz

Dimensão

Velocidade

Aceleração



Modelo Modelo geométrico geométrico IIIIII

Momentos

Forças

,

11

101sinsin

Zr

11011

111112 sin

0

rb

zFF

sin1111 ibFM



Simulação Matlab Simulação Matlab II

Espaço dos Músculos



Simulação Matlab Simulação Matlab IIII

DesempenhoDesempenho CinemáticoCinemático

Desempenho Desempenho DinâmicoDinâmico

Dimensões Exigidas

Forças/Binariosexigidos



Pontos de Pontos de Inserção Inserção II

b1b1

θθ 01 01

b21b21

b22b22


θθ 02 02


Pontos de DestinoDas movimentações

Pontos de Pontos de Inserção Inserção IIII

Mudança Mudança θθ

0101

ForçaForçass

DimensõeDimensõess


MáximasMáximasForças para Forças para um dado um dado ponto de ponto de destinodestino

MáximasMáximasdiferenças diferenças

entre a entre a máxima e máxima e

mínima mínima dimensão do dimensão do

musculomusculo


Pontos de Inserção Pontos de Inserção IIIIII

17.5 cm17.5 cm

-60º-60º

8 8 cmcm8 8 cmcm

-124º-124º



Controlo MATLAB Controlo MATLAB II

PIDDINÂMICA

DIRECTA 2R

[Z]corr

-

E [F]

+

RUNGE-KUTTA

[Z]M-1

[τ]

FORMULAÇÃO

GEOMÉTRICA DO BRAÇO

θ, θ ‘ corr

Espaço Espaço dos dos

MúsculoMúsculoss


[dZ]corr[ddZ]corr

[dZ]

[ddZ]


Controlo MATLAB Controlo MATLAB IIII

EspaçEspaço das o das juntasjuntas

Espaço Espaço dosdos

músculmúsculosos



Projecto Estrutural Projecto Estrutural II



Primeiros testes Primeiros testes II

PLC

Carta Analógica

Alimentação pneumática

Electro-Válvulas



Primeiros testes Primeiros testes IIII



ConclusõesConclusões

Muscle Wires

- Grandes consumidores de corrente eléctrica

- Relação força \ peso muito elevada

- Tempo de activação rápido

- Ciclo de “aquecimento –arrefecimento – aquecimento” é um processo lento

- Tempo que o material permite queuma corrente passe por ele é reduzido

- Controlo limitado

- Os Muscle Wire contraem até 10%do seu comprimento inicial


- Possibilidade de obter um actuador com características que mais convêm são inúmeras - Os músculos pneumáticos possibilitam a contracção até 25% do seu comprimento

- O estudo efectuado em relação aos pontos de inserção constituiu uma mais valia para o desempenho global do braço

- Controlo no espaço dos músculos foi possível, no entanto com constantes D. P. associadas ao controlador muito elevadas


Músculo Pneumático

ConclusõesConclusões

- Comportamentos semelhantes entre os obtidos experimentalmente e os obtidos através do modelo teórico estático

- O controlo no espaço dos músculos aliado à definição de um modelodinâmico contribuirá para o desenvolvimento de um controlador real quemanipule as forças necessárias fazendo-as corresponder às pressões a impor

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