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

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2 ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO DE ACTUADORES LINEARES PARA IMPLEMENTAÇÃO EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA Realizado por: Marco Melo Vasco Quinteiro Orientadores: Prof. Dr. Filipe Silva Prof. Dr. Vítor Santos Departamento de Engenharia Mecânica, UA

3 Objectivos Estudo de dois tipos de actuadores lineares Potencial de utilização no campo da robótica I II - Compreensão das propriedades dos actuadores - Definição do tipo de controlo adequado - Implementação da tecnologia em estruturas de inspiração biológica - Avaliação do desempenho global - Comparação entre os dois tipos de actuadores - Comportamento cinemático - Comportamento dinâmico DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

4 Muscle Wires Fios de liga níquel-titânio de pequenos diâmetros (100μm) Transforma o calor induzido por uma corrente eléctrica (180mA) em movimento mecânico Contrai 5 a 10% do seu comprimento total Características e Propriedades DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

5 Muscle Wires Concepção do Robô Hexápode - Contacto prático com a tecnologia 8 Muscle Wires a funcionar independentemente DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

6 Muscle Wires Desenvolvimento da placa de interface (PC) Teste de padrões de locomoção Através dos impulsos, a placa envia corrente para cada músculo A passagem da corrente proporciona os padrões de locomoção pretendidos Concepção de meios de controlo DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

7 Muscle Wires Porta Paralela - envio do padrão de locomoção Placa de interface com o robô – Corrente para cada Muscle Wire Robô Hexápode Envio de comandos através do teclado Computador 486dx2 Programa em BASIC Esquema do funcionamento do Robô DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

8 Músculo Pneumático Constituição do Músculo -Tamanho ajustável -Peso baixo -Custos reduzidos -Flexibilidade física DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

9 Músculo Pneumático Princípio de Funcionamento Alimentação Pneumática Válvula Proporcional Contracção e relaxamento Variação Linear da pressão com a corrente Músculo Artificial DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

10 Músculo Pneumático Modelo teórico estático b – Comprimento de um fio da malha para um comprimento L e diâmetro D L – Comprimento da malha D – Diâmetro da malha P – Pressão interna imposta F – Força imposta n – número de voltas que um fio de comprimento b dá a uma malha de comprimento L DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

11 Músculo Pneumático Modelo teórico estático Representação do comportamento de um músculo segundo o modelo teórico estático proposto Valores de b e n obtidos para os correspondentes valores de L estipulados Valores utilizados para o cálculo dos valores da tabela DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

12 Músculo Pneumático Propriedades e características I DiâmetrodaMalha ComprimentoInicial INFLUÊNCIA 6 Músculos 11,16, 22 cm 17, 22 mm Comprimento inicial Diâmetro malha DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

13 Propriedades e características II Músculo Pneumático Pressão de alimentação Massa [ 0.. 6] Bar [ ] Kg Hd DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

14 Músculo Pneumático Propriedades e características III DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

15 Músculo Pneumático Propriedades e características IV Ymédio=mx+b Aproximação a Modelo estático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

16 Braço Pneumático Modelo Biomecânico bicípede braquial Deltóide anterior tricipede braquial DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

17 Modelo geométrico I Músculo Flexor Ombro Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

18 Modelo geométrico II Dimensão Velocidade Aceleração Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

19 Modelo geométrico III Momentos Forças, Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

20 Simulação Matlab I Espaço dos Músculos Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

21 Simulação Matlab II Desempenho Cinemático Desempenho Dinâmico Dimensões Exigidas Forças/Binarios exigidos Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

22 Pontos de Inserção I b1 θ 01 b21 b22 Braço Pneumático θ 02 DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Pontos de Destino Das movimentações

23 Pontos de Inserção II Mudança θ 01 Forças Dimensões Braço Pneumático Máximas Forças para um dado ponto de destino Máximas diferenças entre a máxima e mínima dimensão do musculo DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

24 Pontos de Inserção III 17.5 cm -60º -60º 8 cm -124º Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

25 Controlo MATLAB I PID DINÂMICA DIRECTA 2R [Z]corr - E [F] + RUNGE-KUTTA [Z] M -1 [τ] FORMULAÇÃO GEOMÉTRICA DO BRAÇO θ, θ corr Espaço dos Músculos Braço Pneumático [dZ]corr [ddZ]corr [dZ] [ddZ] DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

26 Controlo MATLAB II Espaço das juntas Espaço dos músculos Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

27 Projecto Estrutural I Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

28 Primeiros testes I PLC Carta Analógica Alimentação pneumática Electro-Válvulas Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

29 Primeiros testes II Braço Pneumático DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

30 Conclusões Muscle Wires - Grandes consumidores de corrente eléctrica - Relação força \ peso muito elevada - Tempo de activação rápido - Ciclo de aquecimento –arrefecimento – aquecimento é um processo lento - Tempo que o material permite que uma corrente passe por ele é reduzido - Controlo limitado - Os Muscle Wire contraem até 10% do seu comprimento inicial DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

31 - Possibilidade de obter um actuador com características que mais convêm são inúmeras - Os músculos pneumáticos possibilitam a contracção até 25% do seu comprimento - O estudo efectuado em relação aos pontos de inserção constituiu uma mais valia para o desempenho global do braço - Controlo no espaço dos músculos foi possível, no entanto com constantes D. P. associadas ao controlador muito elevadas DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Pneumático Conclusões - Comportamentos semelhantes entre os obtidos experimentalmente e os obtidos através do modelo teórico estático - O controlo no espaço dos músculos aliado à definição de um modelo dinâmico contribuirá para o desenvolvimento de um controlador real que manipule as forças necessárias fazendo-as corresponder às pressões a impor Em termos das propriedades dos Músculos Em termos do controlo dos Músculos


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