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ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO DE ACTUADORES LINEARES PARA IMPLEMENTAÇÃO EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA. Marco Melo Vasco Quinteiro Orientadores: Prof.

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2 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

3 Objectivos ESTUDO COMPARATIVO DE 2 TIPOS DE ACTUADORES LINEARES POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO NO CAMPO DA ROBÓTICA I II

4 Metodologia _1ºObjectivo Comparação entre os dois tipos de actuadores Compreensão das propriedades dos actuadores Definição do tipo de controlo adequado Necessidades VS Propriedades/capacidades Estudo comparativo Definição das propriedades Tabelização das propriedades

5 Metodologia _2ºObjectivo Implementação da tecnologia em estruturas de inspiração biológica Avaliação do desempenho global Avaliação do potencial Braço antropomórfico Robô hexápode Comportamento cinemático Comportamento dinâmico

6 Justificação do estudo Incapacidade/ineficiência, total/parcial tecnologia actual 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

7 Actuadores Músculos Artificiais Muscle Wires Nitinol Air Muscles Músculos de McKibben Actuadores Lineares

8 Muscle wires _descrição Muscle Wires Fios de liga níquel-titânio de pequenos diâmetros Transforma o calor induzido por uma corrente eléctrica em movimento mecânico. Contrai 5 a 10% do seu comprimento total

9 Muscle wires_ príncipios de funcionamento Estrutura cristalina dinâmica Transformação martensite-austenite Contracção e diminuição de comprimento NITINOL

10 Muscle wires_ propriedades

11 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

12 Muscle wires_ implementação da tecnologiaI Concepção de robô Hexápode Estudo da tecnologia Permite:

13 Muscle wires_ implementação da tecnologiaII Metas : Desenvolvimento de interface (PC) Controle dos actuadores Porta Paralela

14 Muscle wires_ implementação da tecnologiaIII Metas : Desenvolvimento de interface (PC) Teste de padrões de locomoção

15 Músculo Pneumático Constituição do Músculo Malha de Cobre Tubo de Latex Conector -Tamanho ajustável -Peso baixo -Custos reduzidos -Flexibilidade física -Resposta Imediata

16 Músculo Pneumático Tipos de Músculos Existentes Festo AG & Co (Alemanha) Shadow Robot Company Ltd (UK) Image SI INC (USA) -Construção diferente -Propriedades semelhantes -Mesmo funcionamento -Preços variados BioRobotics Laboratory Center for Bioengineering Universidade de Washington

17 Músculo Pneumático Princípio de Funcionamento Alimentação Pneumática Válvula Proporcional Contracção e relaxamento Variação Linear da pressão com a tensão Bicep Humano PLC Carta Analógica Músculo Artifical 0-10 volt

18 Músculo Pneumático Análise dos resultados obtidos 15,4 cm Comprimento inicial do Músculo Levantamento vertical de uma carga Força (N) Deslocamento (m) Linearização do comportamento do músculo F=K m *P*(l-lmin) Constante característica do músculo Sentido do aumento de Pressão Curvas deste tipo Lei do comportamento dos músculos desenvolvidos

19 Músculo Pneumático Modelo teórico para a simulação e controlo Diagrama de blocos do controlador de posição no espaço das juntas Controlador de posição Regulador de binário Actuador eléctrico Robô Modelo geométrico da estrutura biomecânica do braço humano Modelo teórico para a simulação e controlo do braço mecânico Concretização do modelo proposto Software desenvolvido em Matlab De acordo com as observações anatómicas do ombro e do cotovelo Erro=d - d=deslocamento angular desejado =Desloamneto angular do braço produzido

20 Músculo Pneumático Resultados obtidos da análise teórica (no caso dos motores ideais) Deslocamento Velocidade Aceleração das juntas Binários necessárias para efectuar o movimento Espaço Cartesiano Espaço Juntas Termos inerciais Coriolis/centrifugos Gravitacionais

21 Músculo Pneumático Espaço Músculos Espaço das cartesiano Deslocamento Velocidade Aceleração dos músculos no cotovelo Deslocamento Velocidade Aceleração dos músculos no ombro Forças necessárias impor nos 4 músculos (2 no ombro, 2 no cotovelo) para efectuar o movimento pretendido Resultados obtidos da análise teórica (no caso dos músculos) Novo espaço operacional

22 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 Controlador de posição Diagrama de blocos do controlador de posição no espaço dos músculos. Tipo de controlo a implementar para os Actuadores Musculares Regulador de pressão MúsculoRobô

23 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


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