Desenvolvimento de uma plataforma
humanóide autónoma de custo limitado:
Componentes e Soluções Tecnológicas
Autores:
A. Cardoso
L. Gomes
N. Pereira
M. Silva
V. Santos
F. Silva
Departamento de Engenharia Mecânica - Universidade de Aveiro
Sumário:

Motivações:



Parte estrutural:




Motivações de grandes empresas;
Motivações do DEM da UA;
Requisitos na concepção;
Plataforma modelada;
Análise estática;
Actuação e percepção:



Sensores e percepção;
Hierarquia do controlo distribuído;
Controlo velocidade;
Motivos para a construção de um
humanóide por grandes empresas:




Sonho de imitar o ser humano;
Plataforma robótica de enorme
versatilidade, que se pode adaptar a
diversas tarefas;
Indústria de entretenimento;
Robótica de serviços (questões
psicológicas);
Humanóides mais conhecidos:
QRIO (Sony) e ASIMO (Honda)
http://www.plyojump.com
Outros humanóides menos
conhecidos:
HRP 1S (Kawada) e Nuvo (ZMP)
HRP
Nuvo
temestá
prevista
em a
comercialização
sua
desde
comercialização
Março de
2004
porpor
em
2008
$4.600
$360.000
http://www.kawada.co.jp/ams/hrp-2/index_e.html
http://www.plyojump.com/zmp.html
Motivos para a construção de
um humanóide no DEM da UA:



Aplicar e desenvolver conhecimentos
técnicos e de engenharia num projecto de
elevada exigência;
Desenvolver uma plataforma para
participar no RoboCup, na classe KidSize
de humanóides;
Construir uma plataforma para futuro
trabalho de investigação;
Requisitos gerais na concepção:
• 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;
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
Juntas e graus de liberdade:
• Junta universal nos pés (2 DOF), para
fácil locomoção;
Estrutura
superior
• 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;
Anca
Joelho
Pé
A plataforma em números:
Amplitude de movimentos:
Amplitude (graus)
Peso de cada elo:
Estrutura
Peso (g)
Pé (lado)
-35º a +35º
Pé
355 (2x)
Pé (frente)
-30º a +60º
Tornozelo
81 (2x)
Joelho
-45º a +55º
Perna
413 (2x)
Anca (frente)
-60º a +60
Coxa
344 (2x)
Anca (lado)
-70º a +21º
Anca
294 (2x)
Anca (virar)
-90º a +90º
Barra Anca
964
Cintura (lado)
-20º a +20º
Cintura
217
Cintura (frente)
-90º a +20º
Peito
286
Pescoço (lado)
-90º a +90º
Braço
164 (2x)
Pescoço (vertical)
-90º a +20º
Pescoço
52
Ombro (frente)
-90º a +90º
Cabeça
136
Ombro (lado)
0º a +90º
Total
4993
Cotovelo
-90º a +90º
60cm
Pés: 20 x 8 [cm]
25cm
Análise estática:
binários e centros de massa
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
Próximo passo
Parar
Leva pé livre ao lado do de apoio
Inclina ao centro (posição central)
Motor / Junta
Binário Máximo nesta
simulação (N.m)
Tornozelo – lado
2.37
Tornozelo – frente
0.30
Joelho
1.17
Anca – frente
0.35
Anca – lado
2.57
Actuadores e baterias
HITEC
Modelo
Massa (g)
Binário (N.m)
MSI Li-Ion Cells
Valor
Motor Pequeno
HS85BB
19.8
0.35
Modelo
4LI – 2400
Motor Médio
HS715BB
110
1.08
Tensão
7.2 V
Motor Grande
HS805BB
152
2.26
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
unidades de percepção






Potenciómetros (posição das juntas);
Futura unidade de visão (percepção do
ambiente);
Determinação da corrente consumida por cada
um dos motores;
Sensores de força (estado de equilíbrio);
Inclinómetros (inclinação das diferentes
partes…);
Giroscópios (determinação de velocidades
angulares);
Distribuição dos sensores
Unidade de
visão
(Cabeça)
Giroscópio
MURATA
-ENC-03J
Potenciómetro
(Motores)
Motor (HITEC 815BB+)
Inclinómetro
ANALOG DEVICE
- ADXL202JE
Determinação da
corrente consumida
Resistência
de potência
Pé sensível à força
Desenvolvimento de um protótipo
de pé sensível à força
Material – Acrílico
Extensómetro
Pé com 4 Sensores
Medição da deformação
Ponte Wheatstone + Amplificador de
instrumentação
Protótipo construído para testes
Pé sensível à força :
Calibração


Extensómetro
(0...256)(0...5v)
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
500
1000
(g)
1500
Relação praticamente
linear entre o peso
(força) e o valor medido;
Coeficientes de
correlação para as
curvas dos 4
extensómetros variam
entre 0.983 e 0.998;
Exemplo do funcionamento do pé
Resposta do motor às forças no pé
Hierarquia do controlo
distribuído
CONTROLO PRINCIPAL

Unidade de controlo principal:
 Decisões de alto nível e
algoritmos de visão artificial;

Controlador mestre;
 Distribui ordens e recolhe
dados dos escravos;

Controladores escravos;
 Controlo de 3 motores no
máximo por módulo;
 Aquisição dos valores
sensoriais;
RS232
MESTRE
ESCRAVOS
CAN
BUS
3
1
3
2
2
2
2
1
1
1
3
3
2
2
1
1
3
3
2
2
1
1
Vantagens do controlo
distribuído

Distribuição das tarefas pelos vários módulos;
 Funcionamento em paralelo – mais eficiente;

Possibilidade de algoritmos locais de controlo;

Funcionamento independente dos vários
módulos;
 Melhor diagnóstico;

Maior tolerância a falhas locais;
Módulos de controlo escravo
Unidade para
aquisição de sinais
analógicos (16 Máx.)
Resistências
de potência
Endereçamento
do módulo escravo
3 Portas para
controlo dos
servomotores
Porta de
comunicação
série RS232
Unidade de comunicação CAN
Comunicações entre a unidade
principal de controlo e o mestre
Valor da velocidade [0-5]
Valor da posição [0º-180º]
Identificação da mensagem
3º Byte
2º Byte
1º Byte
Controlo
Principal
RS232
Mensagens possíveis:
1. Leitura dos valores sensoriais de
um escravo a indicar;
2. Leitura da posição de qualquer
articulação do sistema;
MESTRE
7 6 5 4 3 2 1 0
Número da junta
3. Leitura dos valores dos
proveniente dos sensores;
Número do módulo de controlo
Tipo de mensagem
4. Alterar a posição e a velocidade de
qualquer junta do sistema;
Variação de velocidade em
servomotores de posição
Objectivo: Adaptar o controlo para implementar
velocidades variáveis em servomotores de posição.

Solução implementada:
 Controlo de velocidade por
software em malha fechada;
Ponto de situação



Estrutura – transmissão por polia/correia
dentada em todas as juntas onde a actuação
não é directa;
Padrões de locomoção a um nível ainda básico;
Unidade de controlo;




Mestre e escravo: em fabrico (SMD);
Sensores: placa de piggy-back em
desenvolvimento;
Pé em desenvolvimento;
Controlo central e visão ainda a definir;
Conclusões 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
humanóide autónoma de custo limitado:
Componentes e Soluções Tecnológicas
Autores:
A. Cardoso
L. Gomes
N. Pereira
M. Silva
V. Santos
F. Silva
Departamento de Engenharia Mecânica - Universidade de Aveiro