““Desenvolvimento e Integração das Desenvolvimento e Integração das Subestruturas Inferior e Superior para a Subestruturas Inferior e Superior para a

Locomoção de uma Plataforma Locomoção de uma Plataforma Humanóide”Humanóide”

Aveiro, 21 Julho de 2005

Autores:Nuno Beça n.º mec:

20075Ângelo Cardoso n.º mec:

23570

Orientadores:Professor Vítor SantosProfessor Filipe Silva

Departamento de Engenharia Departamento de Engenharia MecânicaMecânica

da Universidade de Aveiroda Universidade de Aveiro

Objectivos:Objectivos:

Validar a solução iniciada no projecto do ano Validar a solução iniciada no projecto do ano

anterior para a subestrutura inferior;anterior para a subestrutura inferior;

Conceber e construir a subestrutura superior;Conceber e construir a subestrutura superior;

Definir padrões de locomoção;Definir padrões de locomoção;

Desenvolver uma aplicação de comando e Desenvolver uma aplicação de comando e

monitorização.monitorização.

Sumário: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 percepçãoIntegração com o projecto de controlo e percepção;Conclusão;Agradecimentos.

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

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 técnicos e de engenharia num projecto de elevada exigência;de elevada exigência;

Construir uma plataforma para futuro Construir uma plataforma para futuro trabalho de investigação;trabalho de investigação;

Desenvolver uma plataforma para Desenvolver uma plataforma para participar no RoboCup, na classe participar no RoboCup, na classe KidSize de humanóides.KidSize de humanóides.

Requisitos gerais na concepção:Requisitos gerais na concepção:Possuir graus de liberdade (DOF) Possuir graus de liberdade (DOF) suficientes para locomoção versátil suficientes para locomoção versátil (jogar futebol na RoboCup!);(jogar futebol na RoboCup!);Utilizar actuadores e baterias existentes Utilizar actuadores e baterias existentes no mercado (custo, dimensões, peso, no mercado (custo, dimensões, peso, binário, corrente, etc.);binário, corrente, etc.);Permitir a afinação das transmissões;Permitir a afinação das transmissões;Respeitar as dimensões do RoboCup;Respeitar as dimensões do RoboCup;Utilizar materiais leves mas resistentes.Utilizar materiais leves mas resistentes.

Aplicação MaterialDensidade

(g/cm3)Resistência

(MPa)

Estrutura / MecanismosEstrutura / Mecanismos AlumínioAlumínio 2.72.7 545 – 600545 – 600

CasquilhosCasquilhos LatãoLatão 8.98.9 610610

VeiosVeios AçoAço 7.87.8 1270 – 13201270 – 1320

LigaçõesLigações NylonNylon 1.41.4 9090

Evolução do trabalho Evolução do trabalho desenvolvido:desenvolvido:

Validação da perna Validação da perna construída no projecto construída no projecto do ano anterior.do ano anterior.

Limitações encontradas:Limitações encontradas:

Necessidade de garantir o entre-eixo de pé Necessidade de garantir o entre-eixo de pé ao lado:ao lado:

Limitações encontradas:Limitações encontradas:

Necessidade de transmitir o movimento do Necessidade de transmitir o movimento do motor do joelho para a estrutura da coxa:motor do joelho para a estrutura da coxa:

Modelação completa em CATIA Modelação completa em CATIA das duas pernas:das duas pernas:

Estudo e concepção de Estudo e concepção de soluções para a anca:soluções para a anca:A anca dever ter três graus de liberdade necessários, num espaço reduzido.

Ligação à anca:Ligação à anca:

Distância entre pernas:Distância entre pernas:

A distância entre pernas:

170 mm120 mm

Solução final da anca:Solução final da anca:

Alteração da estrutura de Alteração da estrutura de nylon para alumínio:nylon para alumínio:

Necessidade de garantir entre-eixo do tornozelo à Necessidade de garantir entre-eixo do tornozelo à frente, do joelho e da anca à frente;frente, do joelho e da anca à frente;

Necessidade de uma estrutura rígida.Necessidade de uma estrutura rígida.

Pouco aumento de peso! O peso seria igual se a chapa tivesse 1.5mm

Montagem das pernas Montagem das pernas existentes:existentes:

Soluções encontradas para o Soluções encontradas para o tronco e braços:tronco e braços: Considerações importantes a ter em conta:Considerações importantes a ter em conta:- ter espaço para a unidade de controlo, baterias, - ter espaço para a unidade de controlo, baterias,

placas, etc.;placas, etc.;

- ser leve e resistente;- ser leve e resistente;

- ter mobilidade para facilitar a locomoção;- ter mobilidade para facilitar a locomoção;

- ser esteticamente aceitável;- ser esteticamente aceitável;

- ter altura de modo a estar dentro das regras da - ter altura de modo a estar dentro das regras da classe KidSize da RoboCup.classe KidSize da RoboCup.

Soluções encontradas para o Soluções encontradas para o tronco:tronco:

Vantagens:- ser de fácil concepção;

- ficar com dimensões reduzidas.

Desvantagem:- ter apenas um grau de liberdade, o que

não ajudaria à locomoção.

1º Solução:

Soluções encontradas para o Soluções encontradas para o tronco:tronco:

2º Solução: final

Vantagens:- ajudar na locomoção;ajudar na locomoção;

- permitir “olhar” para o chão.permitir “olhar” para o chão.

Desvantagens:- - ficar com dimensões maiores;ficar com dimensões maiores;

- não ser de muito fácil concepção;- não ser de muito fácil concepção;

- aumentar o peso.- aumentar o peso.

Solução final para os braços:Solução final para os braços:

Dois graus de liberdade no Dois graus de liberdade no ombro, junta universal (RR) e ombro, junta universal (RR) e uma junta rotacional simples uma junta rotacional simples (R) no cotovelo. (R) no cotovelo.

Troca da transmissão de rodas Troca da transmissão de rodas dentadas para transmissão por correia:dentadas para transmissão por correia:

Necessidade de eliminar a folga existente na Necessidade de eliminar a folga existente na transmissão por rodas dentadas; transmissão por rodas dentadas;

Maior facilidade de posicionamento dos Maior facilidade de posicionamento dos motores.motores.

Solução para as polias de 16 Solução para as polias de 16 dentes:dentes:

Necessidade de transmitir o movimento do veio do Necessidade de transmitir o movimento do veio do motor para a polia.motor para a polia.

Análise estática:Análise estática:binários e centros de massabinários e centros de massa

Motor / JuntaBinário Máximo nesta

simulação (N.m)

Tornozelo – ladoTornozelo – lado 2.372.37

Tornozelo – frenteTornozelo – frente 0.300.30

JoelhoJoelho 1.171.17

Anca – frenteAnca – frente 0.350.35

Anca – ladoAnca – lado 2.572.57

Posição centralPosição central

Inclina ao ladoInclina ao lado

Levanta pé livreLevanta pé livre

Leva pé livre à frente do de apoioLeva pé livre à frente do de apoio

Apoia pé livre no chãoApoia pé livre no chão

Inclina ao lado opostoInclina ao lado oposto

Levanta pé livreLevanta pé livre

Leva pé livre ao lado do de apoioLeva pé livre ao lado do de apoio

Inclina ao centro (posição central)Inclina ao centro (posição central)

Próximo passoPróximo passo PararParar

Actuadores e baterias:Actuadores e baterias:

HITEC Modelo Massa (g) Binário (N.m)

Motor PequenoMotor Pequeno HS85BBHS85BB 19.819.8 0.350.35

Motor MédioMotor Médio HS715BBHS715BB 110110 1.081.08

Motor GrandeMotor Grande HS805BBHS805BB 152152 2.262.26

Li-Ion Cells Valor

ModeloModelo 4LI – 24004LI – 2400

Tensão (V)Tensão (V) 7.27.2

Capacidade (mAh)Capacidade (mAh) 48004800

Corrente max. Sustentada (A)Corrente max. Sustentada (A) 9.69.6

Dimensões (mm)Dimensões (mm) 37 x 37 x 6537 x 37 x 65

Peso (g)Peso (g) 176176

Necessidade de razões de transmissão Necessidade de razões de transmissão superior a 2, para garantir coeficiente de superior a 2, para garantir coeficiente de

segurança!!segurança!!

Desenvolvimento de uma aplicação Desenvolvimento de uma aplicação de comando e monitorização:de comando e monitorização:

A aplicação desenvolvida em MatLab tem A aplicação desenvolvida em MatLab tem como funcionalidades:como funcionalidades:- Saber se as placas de controlo estão bem Saber se as placas de controlo estão bem

ligadas, via porta série;ligadas, via porta série;- Enviar os ângulos pretendidos para os Enviar os ângulos pretendidos para os

motores;motores;- Ler a posição dos motores (potenciómetros).Ler a posição dos motores (potenciómetros).

Integração com o projecto de Integração com o projecto de controlo e percepção:controlo e percepção:

Limitações encontradas:Limitações encontradas:

idealização da locomoção;idealização da locomoção;

robustez das correias de robustez das correias de transmissão;transmissão;

rudimentaridade dos rudimentaridade dos esticadores; esticadores;

design.design.

Plataforma construída:Plataforma construída:

Graus de LiberdadePescoço 2

Braços 3 (2x)

Tronco 2

Pernas 6 (2x)

Altura (mm) 600

Largura (mm) 250

Peso (kg) 6,219

Actuadores22 Servos

(14 Grande, 8 Pequenos)

Resultados:Resultados:

Participação no encontro científico do Participação no encontro científico do Robótica 2005;Robótica 2005;Concepção, modelação e construção de Concepção, modelação e construção de uma plataforma humanóide;uma plataforma humanóide;Desenvolvimento de software para Desenvolvimento de software para determinação de centro de massa determinação de centro de massa (estático) e padrões de locomoção;(estático) e padrões de locomoção;Desenvolvimento de software para Desenvolvimento de software para comando do robot em malha aberta e comando do robot em malha aberta e leitura de potenciómetros.leitura de potenciómetros.

Conclusões:Conclusões:

A locomoção deve ser feita com os joelhos flectidos, para assim A locomoção deve ser feita com os joelhos flectidos, para assim

aumentar a estabilidade;aumentar a estabilidade;

De modo a garantir precisão da posição pretendida, será De modo a garantir precisão da posição pretendida, será

necessário utilizar um controlo em malha fechada;necessário utilizar um controlo em malha fechada;

O material dos elos (liga de alumínio comercial) assegura uma O material dos elos (liga de alumínio comercial) assegura uma

boa rigidez do sistema sem grande aumento de peso;boa rigidez do sistema sem grande aumento de peso;

Face à autonomia pretendida para a plataforma e aos custos Face à autonomia pretendida para a plataforma e aos custos

associados, as baterias 4LI-2400 afiguraram ser as mais associados, as baterias 4LI-2400 afiguraram ser as mais

vantajosas;vantajosas;

Apesar dos motores terem binário suficiente, não é fácil garantir a Apesar dos motores terem binário suficiente, não é fácil garantir a

posição pretendida.posição pretendida.

Objectivos:Objectivos:

Validar a solução iniciada no projecto do Validar a solução iniciada no projecto do

ano anterior para a subestrutura inferior;ano anterior para a subestrutura inferior;

Conceber e construir a subestrutura Conceber e construir a subestrutura

superior;superior;

Definir padrões de locomoção;Definir padrões de locomoção;

Desenvolver uma aplicação de comando Desenvolver uma aplicação de comando

e monitorização.e monitorização.

Agradecimentos:Agradecimentos:

aos nossos orientadores, Prof. Vítor Santos e Prof. Filipe aos nossos orientadores, Prof. Vítor Santos e Prof. Filipe

Silva;Silva;

ao Eng. Festas;ao Eng. Festas;

ao Departamento de Física, que sempre disponibilizou os ao Departamento de Física, que sempre disponibilizou os

meios que lhes solicitámos;meios que lhes solicitámos;

aos nossos colegas que começaram o trabalho no ano aos nossos colegas que começaram o trabalho no ano

anterior, Luís Rêgo e Renato Barbosa;anterior, Luís Rêgo e Renato Barbosa;

ao Eng. Camilo Christo;ao Eng. Camilo Christo;

aos colegas que nos acompanharam e ajudaram ao longo aos colegas que nos acompanharam e ajudaram ao longo

deste ano, em especial, ao Mauro Silva e ao Luís Gomes.deste ano, em especial, ao Mauro Silva e ao Luís Gomes.

““Desenvolvimento e Integração das Desenvolvimento e Integração das Subestruturas Inferior e Superior Subestruturas Inferior e Superior

para a Locomoção de uma para a Locomoção de uma Plataforma Humanóide”Plataforma Humanóide”

Departamento de Engenharia Departamento de Engenharia MecânicaMecânica

da Universidade de Aveiroda Universidade de AveiroAveiro, 21 Julho de 2005

Autores:Nuno Beça n.º mec:

20075Ângelo Cardoso n.º mec:

23570

Orientadores:Professor Vítor SantosProfessor Filipe Silva