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Laboratório de Máquinas Inteligentes – LMI/ITA Laboratório de Máquinas Inteligentes – LMI/ITA Jeeves Lopes dos Santos Instituto Tecnológico de Aeronáutica.

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1 Laboratório de Máquinas Inteligentes – LMI/ITA Laboratório de Máquinas Inteligentes – LMI/ITA Jeeves Lopes dos Santos Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA/LMI Simulação de Walking Machines usando MATLAB/SimMechanics

2 2 Problema Atacado O advento da locomoção permite uma maior versatilidade na utilização dos recursos disponíveis em um determinado equipamento. Rodas Pernas Pernas e Rodas Rasteja e Rodas Rasteja Meios de Locomoção Introdução

3 3 Problema Atacado Locomoção Estática X Dinâmica O equilíbrio do robô se dá a partir da permanência do centro de gravidade sobre um polígono de suporte gerado pelas pernas em contato com o solo. O equilíbrio do robô é obtido através da constante movimentação do centro de gravidade. Coordenação dos atuadores de um robô munido de quatro ou mais pernas, visando uma locomoção estática, independente da sua arquitetura física.

4 4 A utilização de pernas permite: Locomoção em ambientes irregulares e acidentados; Maior Idenficação com os seres humanos, facilitando a aceitação dos mesmos; Estudar o sistema de locomoção dos seres vivos; Originar sistemas capazes de facilitar a locomoção de deficientes físicos, idosos, ou até mesmo para diminuir o esforço físico desprendido por pessoas que tem que se locomover durante longos períodos de tempo. Motivação

5 5 Alternativas de Solução Visão Matemática X Evolucionista Baseada no modelo matemático do robô: Desprende um esforço muito grande do projetista; Gera uma solução específica para um determinado robô em particular em um determinado tipo de ambiente; Em geral resulta em um resultado mais otimizado. Baseada na evolução através da utilização de Inteligência Artificial: Minimiza o esforço do projetista; Permite uma maior adaptabilidade à arquitetura física do robô e ao terreno de locomoção.

6 6 Proposta de Solução Utilizar inteligência artificial para permitir o aprendizado em camadas: A primeira camada de aprendizado diz respeito à coordenação dos atuadores que compõe uma perna; A segunda camada diz respeito à coordenação das pernas propriamente ditas. O aprendizado deve ocorrer levando em consideração a relação entre três desempenhos: Velocidade; Estabilidade; Consumo de Energia. Como a depender da situação uma determinada relação VECE é mais indicada, deve-se utilizar três zonas de aprendizado definidas pelo operador. Além dessa definição, o operador deve criar as regras para o chaveamento entre cada zona.

7 7 Ambiente de Desenvolvimento Para o desenvolvimento do sistema proposto, há a necessidade de um ambiente no qual as idéias possam ser testadas. Neste contexto, utilizar um ambiente simulado facilita no desenvolvimento em sua fase inicial, uma vez que: Não há risco de danificar o robô; O reposicionamento do robô pode ser realizado sem intervenção humana; Não há a necessidade de trocar e/ou recarregar a bateria do robô; Não há necessidade de manutenção do equipamento; A arquitetura física do robô é facilmente modificada. Como ferramenta para realizar essa simulação, optou-se pelo toobox do Simulink chamado SimMechanics. Esta ferramenta é um ambiente de modelagem que utiliza diagrama de blocos para construir e simular equipamentos compostos por corpos rígidos e seus graus de liberdade utilizando as leis de Newton para a dinâmica das forças e torques.

8 8 Simulink/SimMechanics O modelo de perna utilizado para a simulação é composto de três corpos rígidos (A,B,C) com quatro graus de liberdade (0,1,2,3). Os corpos B e C tem as mesmas dimensões e são baseados no servo motor de modelo HSR-8498HB (modelo que pode ser utilizado na construção real), enquanto que A possui dimensões ajustadas para representar o pé do robô. Os graus de liberdade 1, 2 e 3 permitem apenas o movimento de rotação em um eixo. Já o grau de liberdade 0 permite a translação e a rotação nos 3 eixos

9 9 Simulink/SimMechanics No SimMechanics pode-se atuar tanto nos corpos como nas juntas. No modelo implementado, as juntas 1, 2 e 3 recebem um estímulo externo (sinais que possuem os ângulos projetados nas juntas), a junta 0 recebe a atuação da força de atrito calculada e o corpo A recebe a atuação da reação de contato com o solo em 4 pontos distintos. Atuação nas juntas e nos corpos

10 10 Simulink/SimMechanics Modelo não linear de Reação de Contato Hunt-Crossley Onde : p Distância de Penetração; u Termo que leva em consideração o formato dos objetos que estão se encontrando; K Constante Elástica; D Constante de Amortecimento; F RC Força de Reação de Contato; F N Força Normal. 0p < 0 p u.K.[ 1 + D.v y ]p > 0 Fy =Fy = [ F RC = [0 F y 0] F N = F RC1 + F RC2 + F RC3 + F RC4

11 11 Simulink/SimMechanics Modelo de atrito Onde : Vth Velocidade Limite; FAE Força de Atrito Estático; FAD Força de Atrito Dinâmico; CAE Coeficiente de Atrito Estático; CAD Coeficiente de Atrito Dinâmico. OBS.: O SimMechanics possui um bloco de atrito, porém devido a dependência da F N, a simulação acarretava em um erro de loop, criando a necessidade de utilizar o modelo proposto. FAE = F N. CAE FAD = F N. CAD

12 12 Simulink/SimMechanics Modelo do robô com pernas Hexápode Quadrúpede

13 13 Simulink/SimMechanics Sinais de Controle Sinal 2 Sinal 1 S1 S2 S1 S2

14 14 Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Força Normal

15 15 Simulações - Quadrúpede Força de Atrito Resultados Obtidos

16 16 Simulações - Quadrúpede Inclinação do Robô Resultados Obtidos

17 17 Próximos passos. Estudar e implementar a técnica LegGen, desenvolvida na tese de mestrado Controle Inteligente do Caminhar de Robôs Móveis Simulados; Analisar as técnicas de inteligência artificial, para definir qual a vai ser utilizada; Construir os circuitos de acionamento dos sensores que serão utilizados nos robôs reais montados com o Kit da Bioloid.


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