Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro 2008/2009 Aqui falta o logótipo do DEMUA Candidato: Rémi Sobreira Sabino remi@ua.pt Orientador: Vítor M. Ferreira dos Santos Co-orientador: Rui A. Da Silva Moreira

Proposta 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros Objectivos – Desenvolver uma estrutura de um robô humanóide que possui actuadores activos e passivos com o objectivo de esta ser energeticamente mais económica, eficiente. Introdução – Estudo da arte / Biomecânica Projecto Estrutura – Características Principais do Pé Tornozelo, Canela Joelho, Coxa Anca e Tronco Implementação actuação passiva – Onde foram implementados os elementos / Que tipo de elementos / resultados esperados / Consequências na estrutura Simulação Movimentos da Estrutura – Consequências da implementação de actuadores passivos, vantagens e desvantagens Conclusões – Resultados da estrutura mecânica (antropometria, rigidez, funcionalidade), e da actuação passiva (vantagens e desvantagens da colocação dos actuadores passivos) Trabalhos Futuros – Continuar com a estrutura, fazer ensaios, etc. Proposta Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

1- OBJECTIVOS Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros 1- OBJECTIVOS Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro 2008/2009 Objectivos – Desenvolver uma estrutura de um robô humanóide que possui actuadores activos e passivos com o objectivo de esta ser energeticamente mais económica, eficiente. Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

OBJECTIVOS Desenvolver a estrutura de um robô humanóide Escala Reduzida Ágil / Flexível Antropomórfica Implementação de actuação passiva para auxílio dos actuadores activos Minimizar binários a desenvolver Aumentar a eficiência da marcha Objectivos – Desenvolver uma estrutura de um robô humanóide que possui actuadores activos e passivos com o objectivo de esta ser energeticamente mais económica, eficiente. Escala Reduzida – aproximação valida uma vez que a problemática relativa a actuação do robô é muito semelhante. Ágil e Flexível – Maior numero de graus de liberdade e grande amplitude de movimentos de modo a poder reproduzir o máximo de movimento possíveis Antropomórfica – Manter um relação entre as dimensões do robô e as do ser humano Minimizar binários a desenvolver – nos actuadores colocados nas varias juntas do robô (essencialmente nas pernas) Aumentar a eficiência da marcha – esperança que seja possível tornar o movimento mais eficiente graças ao aproveitamento da inércia da estrutura e da força gravitica 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros OBJECTIVOS Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

2- INTRODUÇÃO Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros 2- INTRODUÇÃO Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro 2008/2009 Introdução – Estudo da arte / Biomecânica Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

INTRODUÇÃO Tipos de Robôs Humanóides Necessidade de criar uma instabilidade no sistema – Fonte Exterior Estrutura 100% Mecânica Instabilidade do sistema é criada por actuadores activos “Here we present the design of a passive-dynamics…” With its height of 0,57 m and its weight about 4,5 kg, this innovative robot is lightweight and compact Estrutura com Actuadores Activos 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros INTRODUÇÃO Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

INTRODUÇÃO Biomecânica Pé e Tornozelo Tronco Anca Joelho Biologia 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros INTRODUÇÃO Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

3- PROJECTO ESTRUTURA Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros 3- PROJECTO ESTRUTURA Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro 2008/2009 Introdução – Estudo da arte / Biomecânica Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Estrutura – Materiais?? Por onde começar?? Pé, Tornozelo, Joelho, Anca, Tronco, Braços e Cabeça Materiais?? Alumínio, Acrílico, Aço, Bronze, etc.… Dimensões?? Antropometria do Corpo Humano Capacidades?? Graus de Liberdade e Cursos das articulações equivalentes aos do ser humano Actuadores?? Activos / Passivos Dimensões e Capacidades Espaços?? Elementos Activos e passivos Electrónica e Cablagem 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA ACTUAÇÃO HÍBRIDA TIPOS DE ACTUADORES ACTUADORES PASSIVOS Molas; Laminas flexíveis; Elásticos; etc. ACTUADORES ACTIVOS Motores Convencionais; Servomotores; Motores Passo-a-passo; Motores Lineares; Actuadores Hidráulicos e Pneumáticos ACTUAÇÃO HÍBRIDA 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA ACTUADORES ACTIVOS Neste robô optou-se pela colocação de servomotores que permitir o movimento das articulações Tensão – 7,4 V Corrente – até 5000 mA Binário – 30,0 kg.cm Velocidade – 0,14 sec/60º Dimensões – 40x37x20 mm Peso – 70 g Apesar de terem um binário bastante elevado (≈3N.m), devido a um peso total da estrutura estimado a 5kg, é necessário proceder a uma desmultiplicação do binário Para tal optou-se pela utilização de polias e correia dentadas e reforçadas 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA ACTUADORES PASSIVOS Molas Elásticos Helicoidais Volumosas Geometria cilíndrica rígida Lamina Geometria rígida Espiral Difícil de incorporar na estrutura Elásticos Geometria muito ajustável Possibilidade de interferências Colocação de pontos de apoio menos exigente Valor da constante de elasticidade muito variados 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Pé (1GL) 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Tornozelo (2GL) 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Canela e Joelho (1GL) 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Implementação da Actuação Passiva 5- Simulação Movimento Estrutura 6- Conclusões 7- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Coxa 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Implementação da Actuação Passiva 5- Simulação Movimento Estrutura 6- Conclusões 7- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Anca (2x3GL) 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Tronco (3GL) 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Pernas, Anca e Tronco (6+6+3) 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Amplitude Movimentos 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

PROJECTO ESTRUTURA Dimensões da Estrutura 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros PROJECTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

4- Simulação Movimento Estrutura 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros 4- Simulação Movimento Estrutura Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro 2008/2009 Introdução – Estudo da arte / Biomecânica Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

SIMULAÇÃO MOVIMENTO ESTRUTURA Colocação de Actuadores Passivos: Minimizar os binários máximos Diminuição do consumo Melhor resposta dos actuadores activos Aumento da eficiência de movimentos como a marcha Criação de um simulador em Simulink Demonstrar minimização do binário máximo Determinar o valor da constante de elasticidade para cada actuador passivo 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros SIMULAÇÃO MOVIMENTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

SIMULAÇÃO MOVIMENTO ESTRUTURA Criação de um simulador em Simulink Demonstrar minimização do binário máximo Determinar o valor da constante de elasticidade para cada actuador passivo Determinar posicionamento mais adequado para cada actuador (em pontos da estrutura em que isso é possível) 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros SIMULAÇÃO MOVIMENTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

SIMULAÇÃO MOVIMENTO ESTRUTURA Modelo Simulink Diagrama Simulink Resultados Simulador Simulink Grafico Binario VS Angulo Grafico Binário VS Tempo 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros SIMULAÇÃO MOVIMENTO ESTRUTURA Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

6- Conclusões Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 7- Trabalhos Futuros 6- Conclusões Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro 2008/2009 Introdução – Estudo da arte / Biomecânica Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

ESTRUTURA e ACTUAÇÃO ACTIVA Pequenas dimensões e relativamente leve (650mm / 5kg) Antropomorficamente correcta Grande numero de graus de liberdade (15+2GL) Grandes amplitudes de movimentos Construção e montagem cuidada com ausência de folgas prejudiciais ausência de atritos significativos nas juntas Relações de transmissão ajustável Tensores de correia ajustáveis Pé com sola flexível 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros CONCLUSÕES Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

SIMULAÇÕES e ACTUADORES PASSIVOS Existência de numerosos pontos de apoio para os actuadores passivos em todas as juntas Tensor de elementos passivos em algumas juntas Determinação da redução do binário a aplicar em cada junta para um dado movimento Determinação de valores de k adequados 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros CONCLUSÕES Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

6- TRABALHOS FUTUROS Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros 6- TRABALHOS FUTUROS Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro 2008/2009 Introdução – Estudo da arte / Biomecânica Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

Conclusão da montagem de pernas e anca (Base pés, elementos estruturais) Teste da estrutura existente Continuação do projecto mecânico da estrutura (Tronco, braços e cabeça) Criação e instalação da electrónica de controlo Criação algoritmo de controlo 1- Objectivos 2- Introdução 3- Projecto Estrutura 4- Simulação Movimento Estrutura 5- Conclusões 6- Trabalhos Futuros TRABALHOS FUTUROS Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide – Rémi Sabino 01/10/09

Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide FIM OBRIGADO Estrutura Híbrida de Locomoção para um Robô Humanóide Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro 2008/2009 Aqui falta o logótipo do DEMUA Candidato: Rémi Sobreira Sabino remi@ua.pt Orientador: Vítor M. Ferreira dos Santos Co-orientador: Rui A. Da Silva Moreira