Estrutura Híbrida de
Locomoção para um Robô
Humanóide
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Universidade de Aveiro 2008/2009
Candidato:
Rémi Sobreira Sabino
[email protected]
Orientador:
Vítor M. Ferreira dos Santos
Co-orientador: Rui A. Da Silva Moreira






123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
Proposta
Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide –
Rémi Sabino 01/10/09
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
1- OBJECTIVOS
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Universidade de Aveiro 2008/2009
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
Desenvolver a estrutura de um robô
humanóide
◦ Escala Reduzida
◦ Ágil / Flexível
◦ Antropomórfica

Implementação de actuação passiva para
auxílio dos actuadores activos
◦ Minimizar binários a desenvolver
◦ Aumentar a eficiência da marcha
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
OBJECTIVOS
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Rémi Sabino 01/10/09
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
2- INTRODUÇÃO
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Universidade de Aveiro 2008/2009
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
Tipos de Robôs Humanóides
Necessidade de
criar uma
instabilidade no
sistema – Fonte
Exterior
Estrutura 100% Mecânica
Instabilidade do
sistema é
criada por
actuadores
activos
“Here we present the
design of a passivedynamics…”
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
With its height of 0,57 m
and its weight
about 4,5 kg, this
innovative robot is
lightweight and compact
Estrutura com Actuadores Activos
INTRODUÇÃO
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
Biomecânica
Pé
Joelho
Tronco
Anca
e Tornozelo
Biologia
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
Biomecânica
Mecânica
INTRODUÇÃO
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123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
3- PROJECTO ESTRUTURA
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Universidade de Aveiro 2008/2009
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
Estrutura –
◦ Por onde começar??
 Pé, Tornozelo, Joelho, Anca, Tronco,
Braços e Cabeça
◦ Materiais??
 Alumínio, Acrílico, Aço,
Bronze, etc.…
◦ Dimensões??
 Antropometria do Corpo Humano
◦ Capacidades??
 Graus de Liberdade e Cursos das
articulações equivalentes aos do ser
humano
◦ Actuadores??
 Activos / Passivos
 Dimensões e Capacidades
◦ Espaços??
 Elementos Activos e passivos
 Electrónica e Cablagem
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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TIPOS DE ACTUADORES


123456-
ACTUADORES PASSIVOS
◦
◦
◦
◦
Molas;
Laminas flexíveis;
Elásticos;
etc.
ACTUADORES ACTIVOS
◦
◦
◦
◦
◦
◦
ACTUAÇÃO
HÍBRIDA
Motores Convencionais;
Servomotores;
Motores Passo-a-passo;
Motores Lineares;
Actuadores Hidráulicos e Pneumáticos
etc.
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
123456-
ACTUADORES ACTIVOS

Neste robô optou-se pela colocação de servomotores que
permitir o movimento das articulações

Apesar de terem um binário bastante elevado (≈3N.m),
devido a um peso total da estrutura estimado a 5kg, é
necessário proceder a uma desmultiplicação do binário

Para tal optou-se pela utilização de
polias e correia dentadas e reforçadas
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
Tensão –
Corrente –
Binário –
Velocidade –
Dimensões –
Peso –
7,4 V
até 5000 mA
30,0 kg.cm
0,14 sec/60º
40x37x20 mm
70 g
PROJECTO ESTRUTURA
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
ACTUADORES PASSIVOS

Molas
◦ Helicoidais
 Volumosas
 Geometria cilíndrica rígida
◦ Lamina
 Geometria rígida
◦ Espiral
 Difícil de incorporar na estrutura

Elásticos
◦ Geometria muito ajustável
 Possibilidade de interferências
 Colocação de pontos de apoio menos exigente
◦ Valor da constante de elasticidade muito variados
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
123456-
Pé (1GL)
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
123456-
Tornozelo (2GL)
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
1234567-
Canela e Joelho (1GL)
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Implementação da Actuação Passiva
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
1234567-
Coxa
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Implementação da Actuação Passiva
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
123456-
Anca (2x3GL)
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
123456-
Tronco (3GL)
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
123456-
Pernas, Anca e Tronco (6+6+3)
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
123456-
Amplitude Movimentos
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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
123456-
Dimensões da Estrutura
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
PROJECTO ESTRUTURA
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123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
4- Simulação Movimento
Estrutura
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
Colocação de Actuadores Passivos:
◦ Minimizar os binários máximos
 Diminuição do consumo
 Melhor resposta dos actuadores activos
 Aumento da eficiência de movimentos como a
marcha
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
SIMULAÇÃO MOVIMENTO
ESTRUTURA
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
Criação de um simulador em Simulink
◦ Demonstrar minimização do binário máximo
◦ Determinar o valor da constante de
elasticidade para cada actuador passivo
◦ Determinar posicionamento mais adequado
para cada actuador (em pontos da estrutura
em que isso é possível)
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
SIMULAÇÃO MOVIMENTO
ESTRUTURA
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Modelo
Diagrama
Simulador
Simulink
Simulink
Simulink
Resultados
Grafico Binario VS Angulo
Grafico Binário VS Tempo
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
SIMULAÇÃO MOVIMENTO
ESTRUTURA
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123457-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
6- Conclusões
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Universidade de Aveiro 2008/2009
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
ESTRUTURA e ACTUAÇÃO ACTIVA





Pequenas dimensões e relativamente leve (650mm / 5kg)
Antropomorficamente correcta
Grande numero de graus de liberdade (15+2GL)
Grandes amplitudes de movimentos
Construção e montagem cuidada com
ausência de folgas prejudiciais
 ausência de atritos significativos nas juntas

Relações de transmissão ajustável
 Tensores de correia ajustáveis
 Pé com sola flexível

123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
CONCLUSÕES
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
SIMULAÇÕES e ACTUADORES PASSIVOS
Existência de numerosos pontos de apoio para os
actuadores passivos em todas as juntas
 Tensor de elementos passivos em algumas juntas
 Determinação da redução do binário a aplicar em cada junta
para um dado movimento
 Determinação de valores de k adequados

123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
CONCLUSÕES
Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide –
Rémi Sabino 01/10/09
123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
6- TRABALHOS FUTUROS
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Universidade de Aveiro 2008/2009
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Conclusão da montagem de pernas e anca
(Base pés, elementos estruturais)
 Teste da estrutura existente

Continuação do projecto mecânico da
estrutura (Tronco, braços e cabeça)
 Criação e instalação da electrónica de
controlo
 Criação algoritmo de controlo

123456-
Objectivos
Introdução
Projecto Estrutura
Simulação Movimento Estrutura
Conclusões
Trabalhos Futuros
TRABALHOS FUTUROS
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FIM
OBRIGADO
Estrutura Híbrida de Locomoção para
um Robô Humanóide
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Universidade de Aveiro 2008/2009
Candidato:
Rémi Sobreira Sabino
[email protected]
Orientador:
Vítor M. Ferreira dos Santos
Co-orientador: Rui A. Da Silva Moreira