“Desenvolvimento e Integração das Subestruturas
Inferior e Superior para a Locomoção de uma
Plataforma Humanóide”
Autores:
Nuno Beça
n.º mec: 20075
Ângelo Cardoso n.º mec: 23570
Orientadores:
Professor Vítor Santos
Professor Filipe Silva
Departamento de Engenharia Mecânica
da Universidade de Aveiro
Aveiro, 21 Julho de 2005
Objectivos:
Validar a solução iniciada no projecto do ano
anterior para a subestrutura inferior;
Conceber e construir a subestrutura superior;
Definir padrões de locomoção;
Desenvolver uma aplicação de comando e
monitorização.
Sumário:
Motivações:
–
–
Motivações de grandes empresas;
Motivações do DEM da UA;
Estrutura da plataforma:
–
–
Requisitos na concepção;
Trabalho desenvolvido:
Validação da estrutura existente;
Soluções para as limitações encontradas;
Concepção da anca e da estrutura superior;
Componentes utilizados.
Análise estática:
–
–
Binários necessários;
Padrões de locomoção.
Desenvolvimento de software de comando e monitorização;
Integração com o projecto de controlo e percepção;
Conclusão;
Agradecimentos.
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
Motivos para a construção de
um humanóide no DEM da UA:
Aplicar e desenvolver conhecimentos
técnicos e de engenharia num projecto
de elevada exigência;
Construir uma plataforma para futuro
trabalho de investigação;
Desenvolver uma plataforma para
participar no RoboCup, na classe
KidSize de humanóides.
Requisitos gerais na concepção:
Possuir graus de liberdade (DOF)
suficientes para locomoção versátil
(jogar futebol na RoboCup!);
Utilizar actuadores e baterias existentes
no mercado (custo, dimensões, peso,
binário, corrente, etc.);
Permitir a afinação das transmissões;
Respeitar as dimensões do RoboCup;
Utilizar materiais leves mas resistentes.
Aplicação
Material
Densidade
(g/cm3)
Resistência
(MPa)
Estrutura / Mecanismos
Alumínio
2.7
545 – 600
Casquilhos
Latão
8.9
610
Veios
Aço
7.8
1270 – 1320
Ligações
Nylon
1.4
90
Evolução do trabalho
desenvolvido:
Validação da perna
construída no projecto
do ano anterior.
Limitações encontradas:
Necessidade de garantir o entre-eixo de pé
ao lado:
Limitações encontradas:
Necessidade de transmitir o movimento do
motor do joelho para a estrutura da coxa:
Modelação completa em CATIA
das duas pernas:
Estudo e concepção de
soluções para a anca:
A anca dever ter três graus de
liberdade necessários, num espaço
reduzido.
Ligação à anca:
Distância entre pernas:
A distância entre pernas:
170 mm
120
Solução final da anca:
Alteração da estrutura de
nylon para alumínio:
Necessidade de garantir entre-eixo do tornozelo à
frente, do joelho e da anca à frente;
Necessidade de uma estrutura rígida.
Pouco aumento de peso!
O peso seria igual se a chapa tivesse 1.5mm
Montagem das pernas
existentes:
Soluções encontradas para o
tronco e braços:
Considerações importantes a ter em conta:
- ter espaço para a unidade de controlo, baterias,
placas, etc.;
- ser leve e resistente;
- ter mobilidade para facilitar a locomoção;
- ser esteticamente aceitável;
- ter altura de modo a estar dentro das regras da
classe KidSize da RoboCup.
Soluções encontradas para o
tronco:
1º Solução:
Vantagens:
- ser de fácil concepção;
- ficar com dimensões reduzidas.
Desvantagem:
- ter apenas um grau de liberdade, o que
não ajudaria à locomoção.
Soluções encontradas para o
tronco:
2º Solução: final
Vantagens:
- ajudar na locomoção;
- permitir “olhar” para o chão.
Desvantagens:
- ficar com dimensões maiores;
- não ser de muito fácil concepção;
- aumentar o peso.
Solução final para os braços:
Dois graus de liberdade no
ombro, junta universal (RR) e
uma junta rotacional simples
(R) no cotovelo.
Troca da transmissão de rodas
dentadas para transmissão por correia:
Necessidade de eliminar a folga existente na
transmissão por rodas dentadas;
Maior facilidade de posicionamento dos
motores.
Solução para as polias de 16
dentes:
Necessidade de transmitir o movimento do veio do
motor para a polia.
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)
Li-Ion Cells
Valor
Motor Pequeno
HS85BB
19.8
0.35
Modelo
4LI – 2400
Motor Médio
HS715BB
110
1.08
Tensão (V)
7.2
Motor Grande
HS805BB
152
2.26
Capacidade (mAh)
4800
Corrente max. Sustentada (A)
9.6
Dimensões (mm)
37 x 37 x 65
Peso (g)
176
Necessidade de razões de transmissão
superior a 2, para garantir coeficiente de
segurança!!
Desenvolvimento de uma aplicação
de comando e monitorização:
A aplicação desenvolvida em MatLab tem
como funcionalidades:
- Saber se as placas de controlo estão bem
ligadas, via porta série;
- Enviar os ângulos pretendidos para os
motores;
- Ler a posição dos motores (potenciómetros).
Integração com o projecto de
controlo e percepção:
Limitações encontradas:
idealização da locomoção;
robustez das correias de
transmissão;
rudimentaridade dos
esticadores;
design.
Plataforma construída:
Graus de Liberdade
Pescoço
2
Braços
3 (2x)
Tronco
2
Pernas
6 (2x)
Altura (mm)
600
Largura (mm)
250
Peso (kg)
6,219
Actuadores
22 Servos
(14 Grande, 8 Pequenos)
Resultados:
Participação no encontro científico do
Robótica 2005;
Concepção, modelação e construção de
uma plataforma humanóide;
Desenvolvimento de software para
determinação de centro de massa
(estático) e padrões de locomoção;
Desenvolvimento de software para
comando do robot em malha aberta e
leitura de potenciómetros.
Conclusões:
A locomoção deve ser feita com os joelhos flectidos, para assim
aumentar a estabilidade;
De modo a garantir precisão da posição pretendida, será
necessário utilizar um controlo em malha fechada;
O material dos elos (liga de alumínio comercial) assegura uma
boa rigidez do sistema sem grande aumento de peso;
Face à autonomia pretendida para a plataforma e aos custos
associados, as baterias 4LI-2400 afiguraram ser as mais
vantajosas;
Apesar dos motores terem binário suficiente, não é fácil garantir a
posição pretendida.
Objectivos:
Validar a solução iniciada no projecto do
ano anterior para a subestrutura inferior;
Conceber e construir a subestrutura
superior;
Definir padrões de locomoção;
Desenvolver uma aplicação de comando
e monitorização.
Agradecimentos:
aos nossos orientadores, Prof. Vítor Santos e Prof. Filipe
Silva;
ao Eng. Festas;
ao Departamento de Física, que sempre disponibilizou os
meios que lhes solicitámos;
aos nossos colegas que começaram o trabalho no ano
anterior, Luís Rêgo e Renato Barbosa;
ao Eng. Camilo Christo;
aos colegas que nos acompanharam e ajudaram ao longo
deste ano, em especial, ao Mauro Silva e ao Luís Gomes.
“Desenvolvimento e Integração das
Subestruturas Inferior e Superior para a
Locomoção de uma Plataforma Humanóide”
Autores:
Nuno Beça
n.º mec: 20075
Ângelo Cardoso n.º mec: 23570
Orientadores:
Professor Vítor Santos
Professor Filipe Silva
Departamento de Engenharia Mecânica
da Universidade de Aveiro
Aveiro, 21 Julho de 2005