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

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A. CardosoA. CardosoL. GomesL. GomesN. PereiraN. PereiraM. SilvaM. SilvaV. SantosV. SantosF. SilvaF. Silva

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