ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO
DE ACTUADORES LINEARES PARA
IMPLEMENTAÇÃO
EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA.
Marco Melo
Vasco Quinteiro
Orientadores:
Prof. Filipe Silva
Prof. Vítor Santos
Objectivos
I
II
ESTUDO COMPARATIVO DE 2 TIPOS
DE ACTUADORES LINEARES
POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO
NO CAMPO DA ROBÓTICA
Metodologia
_1ºObjectivo
Compreensão
das propriedades
dos actuadores
Definição das propriedades
Tabelização das propriedades
Definição do tipo de controlo
adequado
Necessidades VS
Propriedades/capacidades
Comparação
entre
os dois tipos
de actuadores
Estudo
comparativo
Metodologia
Implementação
da tecnologia
em estruturas
de inspiração
biológica
Braço
antropomórfico
Robô hexápode
_2ºObjectivo
Avaliação
do
desempenho
global
Comportamento
cinemático
Comportamento
dinâmico
Avaliação
do potencial
Justificação do estudo
Incapacidade/ineficiência, total/parcial
da tecnologia actual
em alguns tipos de actuação.
Actuadores
rotacionais
Motores
eléctricos
Redutores
Procura
de soluções
noutros campos
Cópia de sistemas biológicos
Estrutura
Mecanismo
Necessidade
de compreensão
dos dispositivos
a estudar
Actuadores
Actuadores Lineares
Músculos Artificiais
Muscle
Wires
Air
Muscles
Nitinol
Músculos
de McKibben
Muscle wires_descrição
Fios de liga níquel-titânio
de pequenos diâmetros
Muscle Wires
Transforma o calor induzido por
uma corrente eléctrica
em movimento mecânico.
Contrai 5 a 10% do seu
comprimento total
Muscle wires_príncipios de funcionamento
NITINOL
Estrutura cristalina dinâmica
Transformação martensite-austenite
Contracção e diminuição
de comprimento
Muscle wires_propriedades
Temperatura de inicio
de activação
Temperatura de final
de activação
68°C
78°C
Temperatura efectiva
de transição
70°C
Temperatura de inicio
de relaxação
52°C
Temperatura de final
de relaxação
42°C
Temperatura de Anel
540°C
Temperatura de fusão
1300°C
Capacidade de
aquecimento
Diâmetros Resistência Máxima
0.322J/g°C
Calor latente
242J/g
Densidade
Eficiência de
conversão de energia
Razão de Máx.
Deformação
645g/cc
Razão Recomendada
3 - 5%
Módulo Young
28GPa
5%
8%
(Inches) (Ohms/Inch)
Força
(gms.)
0.0015
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.008
0.010
0.012
0.015
17
35
80
150
230
330
590
930
1250
2000
21.0
12.0
5.0
3.0
1.8
1.3
0.8
0.5
0.33
0.2
Corrente
Tempo de
Tempo de
Tempo
aprox.
arrefecimento arrefecimento
a temperatura contracção
70° C**
90° C **
(segundos)
normal (mA) (segundos) (segundos)
30
1
0.25
0.09
50
1
0.3
0.1
100
1
0.5
0.2
180
1
0.8
0.4
250
1
1.6
0.9
400
1
2.0
1.2
610
1
3.5
2.2
1000
1
5.5
3.5
1750
1
8.0
6.0
2750
1
13.0
10.0
Muscle wires_príncipios de funcionamento
A resistência do fio
à corrente eléctrica
gera uma fonte de calor.
Passagem de corrente
Aquecimento do fio
Mudança de forma
Contracção do fio
Muscle wires_implementação da tecnologiaI
Concepção
de robô
Hexápode
Permite:
Estudo
da tecnologia
Muscle wires_implementação da tecnologiaII
Metas :
Desenvolvimento
de interface (PC)
Porta Paralela
Controle dos actuadores
Muscle wires_implementação da tecnologiaIII
Metas :
Desenvolvimento
de interface (PC)
Teste de padrões
de locomoção
Músculo Pneumático
Constituição do Músculo
Tubo de Latex
Conector
Malha de Cobre
-Tamanho ajustável
-Peso baixo
-Custos reduzidos
-Flexibilidade física
-Resposta Imediata
Músculo Pneumático
Tipos de Músculos Existentes
BioRobotics Laboratory
Center for Bioengineering
Universidade de Washington
Shadow Robot Company Ltd
(UK)
Image SI INC
(USA)
-Construção diferente
-Propriedades semelhantes
-Mesmo funcionamento
-Preços variados
Festo AG & Co
(Alemanha)
Músculo Pneumático
Princípio de Funcionamento
Alimentação
Pneumática
Válvula
Proporcional
PLC
0-10 volt
Carta Analógica
Variação Linear
da pressão com
a tensão
Contracção
e relaxamento
Músculo Artifical
Bicep Humano
Músculo Pneumático
Análise dos resultados obtidos
Comprimento
inicial do
Músculo
Levantamento
vertical de
uma carga
Sentido do aumento de Pressão
120
Pressão (0)
Pressão (1 bar)
100
Pressão (1.5 bar)
Pressão (2 bar)
Força (N)
80
Pressão (2.5 bar)
Pressão (3 bar)
60
Pressão (3.5 bar)
40
Pressão (4 bar)
Pressão (4.5 bar)
20
Pressão (5 bar)
Pressão (5.5 bar)
0
15,4 cm
Lei do
comportamento
dos músculos
desenvolvidos
14
15
16
17
18
19
Deslocamento (cm)
20
21
Pressão (6 bar)
Força (N)
F=Km*P*(l-lmin)
Curvas deste tipo
Constante característica do músculo
Deslocamento (m)
Linearização
do comportamento
do músculo
Músculo Pneumático
Modelo teórico para a simulação e controlo
Modelo geométrico da
estrutura biomecânica
do braço humano
De acordo com
as observações
anatómicas do
ombro e do
cotovelo
Modelo teórico para
a simulação e controlo
do braço mecânico
Concretização
do modelo
proposto
d=deslocamento
angular desejado
Controlador
de posição
Regulador
de binário
Software
desenvolvido
em Matlab
Actuador
eléctrico
Robô
=Desloamneto angular
do braço produzido
Erro=d - 
Diagrama de blocos do controlador de posição no espaço das juntas
Músculo Pneumático
Resultados obtidos da análise teórica
(no caso dos motores ideais)
Deslocamento
Velocidade
Aceleração
das juntas
Termos inerciais
Coriolis/centrifugos
Gravitacionais
Espaço
Cartesiano
Binários necessárias
para efectuar o
movimento
Espaço
Juntas
Músculo Pneumático
Resultados obtidos da análise teórica
(no caso dos músculos)
Deslocamento
Velocidade
Aceleração
dos músculos
no cotovelo
Deslocamento
Velocidade
Aceleração
dos músculos
no ombro
Espaço das
cartesiano
Forças necessárias impor
nos 4 músculos (2 no ombro,
2 no cotovelo) para efectuar o
movimento pretendido
Espaço
Músculos
Novo espaço
operacional
Músculo Pneumático
Aplicação dos músculos e estudo
do modelo teórico
Optimizar a geometria do braço e a fixação
dos músculos em função dos resultados teóricos
Avaliação teórica do comportamento dinâmico dos
músculos desenvolvidos, tendo em conta a lei do
comportamento destes
Tipo de controlo a implementar para
os Actuadores Musculares
Controlador
de posição
Regulador
de pressão
Músculo
Robô
Diagrama de blocos do controlador de posição no espaço dos músculos.
Músculo Pneumático
Aplicação dos músculos e estudo
do modelo teórico na prática
Elaboração de um braço mecânico composto por 2 juntas
com 2 graus de liberdade accionado pelos músculos
-Inspiração
biológica
-Estruturalmente
viável