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Laboratório de Máquinas Inteligentes – LMI/ITA

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Apresentação em tema: "Laboratório de Máquinas Inteligentes – LMI/ITA"— Transcrição da apresentação:

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

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

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 Motivação 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.

5 Alternativas de Solução Matemática X Evolucionista
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 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 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 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 Simulink/SimMechanics Atuação nas juntas e nos corpos
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.

10 [ Simulink/SimMechanics
Modelo não linear de Reação de Contato Hunt-Crossley 0 → p < 0 pu.K.[ 1 + D.vy ] → p > 0 Fy = [ FRC = [0 Fy 0] FN = FRC1 + FRC2 + FRC3 + FRC4 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; FRC → Força de Reação de Contato; FN → Força Normal.

11 Simulink/SimMechanics
Modelo de atrito FAE = FN . CAE FAD = FN . CAD 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 FN, a simulação acarretava em um erro de loop, criando a necessidade de utilizar o modelo proposto.

12 Simulink/SimMechanics Modelo do robô com pernas
Quadrúpede Hexápode

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

14 Simulações - Quadrúpede
Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Força Normal

15 Simulações - Quadrúpede
Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Força de Atrito

16 Simulações - Quadrúpede
Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Inclinação do Robô

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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