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Desenvolvimento e Integração das Subestruturas Inferior e Superior para a Locomoção de uma Plataforma Humanóide Aveiro, 21 Julho de 2005 Autores: Nuno.

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1 Desenvolvimento e Integração das Subestruturas Inferior e Superior para a Locomoção de uma Plataforma Humanóide Aveiro, 21 Julho de 2005 Autores: Nuno Beça n.º mec: Ângelo Cardoso n.º mec: Orientadores: Professor Vítor Santos Professor Filipe Silva Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro

2 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.

3 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 Integração com o projecto de controlo e percepção; Conclusão; Agradecimentos.

4 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).

5 Humanóides mais conhecidos: QRIO (Sony) e ASIMO (Honda)

6 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.

7 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. AplicaçãoMaterial Densidade (g/cm 3 ) Resistência (MPa) Estrutura / Mecanismos Alumínio – 600 CasquilhosLatão VeiosAço – 1320 LigaçõesNylon1.490

8 Evolução do trabalho desenvolvido: Validação da perna construída no projecto do ano anterior.

9 Limitações encontradas: Necessidade de garantir o entre-eixo de pé ao lado:

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

11 Modelação completa em CATIA das duas pernas:

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

13 Ligação à anca:

14 Distância entre pernas: A distância entre pernas: 170 mm120 mm

15 Solução final da anca:

16 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

17 Montagem das pernas existentes:

18 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.

19 Soluções encontradas para o 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:

20 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.

21 Solução final para os braços: Dois graus de liberdade no ombro, junta universal (RR) e uma junta rotacional simples (R) no cotovelo.

22 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.

23 Solução para as polias de 16 dentes: Necessidade de transmitir o movimento do veio do motor para a polia.

24 Análise estática: binários e centros de massa Motor / Junta Binário Máximo nesta simulação (N.m) Tornozelo – lado 2.37 Tornozelo – frente 0.30 Joelho1.17 Anca – frente 0.35 Anca – lado 2.57 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 Leva pé livre ao lado do de apoio Inclina ao centro (posição central) Próximo passo Parar

25 Actuadores e baterias: HITECModeloMassa (g)Binário (N.m) Motor Pequeno HS85BB Motor Médio HS715BB Motor Grande HS805BB Li-Ion CellsValorModelo 4LI – 2400 Tensão (V) 7.2 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!!

26 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).

27 Integração com o projecto de controlo e percepção: Limitações encontradas: idealização da locomoção; robustez das correias de transmissão; rudimentaridade dos esticadores; design.

28 Plataforma construída: Graus de Liberdade Pescoço2 Braços3 (2x) Tronco2 Pernas6 (2x) Altura (mm) 600 Largura (mm) 250 Peso (kg) 6,219 Actuadores 22 Servos (14 Grande, 8 Pequenos)

29 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.

30 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.

31 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.

32 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.

33 Desenvolvimento e Integração das Subestruturas Inferior e Superior para a Locomoção de uma Plataforma Humanóide Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro Aveiro, 21 Julho de 2005 Autores: Nuno Beça n.º mec: Ângelo Cardoso n.º mec: Orientadores: Professor Vítor Santos Professor Filipe Silva


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