Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Departamento de Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro Autores: Pedro Maia Rui Ferreira Extensão e Optimização do Sistema Robótico MecHex Orientadores: Prof. Vítor Santos Prof. Filipe Silva

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Índice 1. Objectivos 2. Introdução Pontos Possíveis de Intervenção Situação Inicial Extensão dos Objectivos 3. Tarefas concretizadas Locomoção Sensorização Integração e Controlo 4. Demonstrações 5. Conclusões

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Objectivos Capacidade de movimentação em terrenos irregulares. Percepção mais completa do ambiente. Controlo de movimento mais elaborado. Introdução de modificações e adaptações no sentido de o tornar mais versátil e autónomo. As alterações poderão ser quer estruturais, quer na unidade de controlo e nos sistemas de percepção. Pretende-se dotar o sistema das seguintes propriedades adicionais: Introdução de modificações e adaptações no sentido de o tornar mais versátil e autónomo. As alterações poderão ser quer estruturais, quer na unidade de controlo e nos sistemas de percepção. Pretende-se dotar o sistema das seguintes propriedades adicionais:

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Introdução - Pontos possíveis de intervenção Sistemas alternativos de movimentação das pernas. Substituição/Interligação das unidades de controlo. Introdução de sensorização. Sistema de controlo mais robusto. Ajuste dos parâmetros de locomoção.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Limitações/Características: Baixa velocidade de locomoção. Dimensionamento mecânico insuficiente: Inadequado apoio dos veios. Elevado peso. Passo de dimensão inadequada - baixa manobrabilidade. Altura de transposição de obstáculos limitada. 2. Introdução - Situação Inicial

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Introdução - Extensão de objectivos 1. Exploração/Optimização da unidade de controlo 2. Locomoção - Estudo de uma geometria alternativa. 3. Sensorização - Participação no Festival Nacional de Robótica “Robótica2002” - Enquadramento da participação no Projecto de Automação. - Projecto e construção de orgãos mecânicos. - Elaboração de software para a navegação autonóma. - Controlo em velocidade dos motores passo-a-passo. 4. Integração e Controlo - Optimização do sistema Robótico “MecHex” - Integração de um PC, comunicação com PLC. - Implementação de um sistema de visão – interpretação de ordens gráficas. - Novo código de PLC.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Parametrização das PGU’s. Implementação de um novo algoritmo de controlo. Vantagens do novo algoritmo vs anterior: 3.1. Exploração/Optimização da unidade de controlo Na ausência de comando, desbloqueia-se dos motores - aumento da autonomia, menor aquecimento dos motores e drives de potência. Aumento de amplitude de viragem, aquando do desvio de obstáculos. Diferenciação na detecção de obstáculos, consoante o sentido de movimento.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Estudo de uma geometria alternativa de locomoção Estudo de uma geometria alternativa de locomoção 3.2. Locomoção Objectivos Concepção do Mecanismo Mecanismo e geometria Estudo cinemático Estudo dinâmico Projecto do Mecanismo Selecção das dimensões e geometria Cálculo do binário e potência Dimensionamento estrutural Resultados Finais

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Locomoção - Objectivos Melhorar a manobrabilidade / redução do passo. Aumentar a altura de transposição de obstáculos Diminuir o peso. Melhorar a eficiência mecânica. Reduzir os valores máximos de binário (ampl. oscilação vertical).

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Locomoção - Concepção do Mecanismo – Mecanismo e geometria –Ligação articulada de quatro elos (“four bar linkage”) –Diversidade de configurações variando os comprimentos e a localização dos pontos de fixação –Não existência de juntas lineares (vantagens mecânicas) Juntas rotacionais Ponto de contacto com o solo

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 – Estudo cinemático –Composição de movimentos e interacção com o solo. –Obtenção das expressões de todos os pontos que definem a geometria em relação ao ponto de contacto com o solo. –Trajectória real e simulação utilizando MatLab Locomoção - Concepção do Mecanismo

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 – Estudo dinâmico –Dimensionamento dos actuadores; binário e potência –Simplificações e considerações: Análise de apenas uma perna Massa concentrada no CM (X 0, Y 0 ) Desprezar o movimento de oscilação em torno do eixo longitudinal Movimento apenas no plano horizontal –Aplicação da equação de Euler-Lagrange utilizando a função Lagrangeano –Obtenção da expressão analitica final de binário através da toolbox symbolic MatLab (~ caracteres) 3.2 Locomoção - Concepção do Mecanismo

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Locomoção - Projecto do Mecanismo – Selecção das dimensões e da geometria do passo –Simulação de várias geometrias admitidas intuitivamente Movimento vertical puroRepresentação da configuração anterior Exemplo de uma geometria testada Boa manobrabilidadeSituação actualElevada capacidade de transposição de obstáculos Boa capacidade de transposição de obstáculos Consumo energético elevadoSituação actualCarácter oscilatório demasiado acentuado Carácter oscilatório acentuado Trajectória do CM Trajectória da perna

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Locomoção - Projecto do Mecanismo – Selecção das dimensões e da geometria do passo (cont.) –Incompatibilidade na obtenção simultânea de valores óptimos de passo e altura de transposição – Solução resultante proporciona um equilíbrio entre as variáveis em causa Proporciona maior verticalidade na trajectória de aproximação ao solo

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Locomoção - Projecto do Mecanismo – Cálculo do binário e potência com planeamento de trajectórias –Velocidade de descolagem e contacto com o solo nulas Deslocamento angular em função do tempo (poli. 3º grau) –Binário máximo = 9.5 Nm –Potência máxima = 34 W (Massa=50 kg, tempo de passo = 1 s)

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 – Dimensionamento estrutural É necessário seleccionar previamente o tipo de material –Escolha do material (requisitos) Baixa densidade Boa maquinabilidade Baixo custo e facilidade de aquisição Resistência mecânica adequada Propriedades mecânicas (tenacidade e resiliência) compatíveis com os impactos no solo –Material seleccionado: 3.2. Locomoção - Projecto do Mecanismo Densidade: 1.15 Tensão de cedência: 90 MPa Resistência à flexão: 2830 MPa Resitência ao corte: 66MPa Dureza (Shore D): 85 Nylon 6,6

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 – Dimensionamento estrutural (cont.) –Modelação sólida da perna utilizando o software de CAD SolidWorks2000 –Estudo de viabilidade estrutural Aplicação das solicitações correspondentes à pior situação de exigência mecânica Análise estrutural estática utilizando CosmosWorks Locomoção - Projecto do Mecanismo Coeficiente de segurança: 10 Tensão máxima: 8 MPa Deslocamento máximo: 0.28 mm

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Este mecanismo articulado de locomoção elíptica permite: Uma maior verticalidade na trajectória de aproximação ao solo. Maior manobrabilidade com a redução do passo (linear e rotacional). Explorar as vantagens mecânicas das juntas rotacionais (redução de atritos). As vantagens não se revelaram suficientemente fortes para justificar a implementação da nova geometria. Constragimentos geometricos da estrutura Profunda alteração noutros componentes mecânicos necessária Este estudo foi apresentado no Encontro Cientifico do “Robotica2002” e publicado nas revistas “Robótica” nº 48 e na “Electronica e Telecomunicações, do DET – UA, Abril Locomoção - Resultados Finais

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Mecanismo de geometria variável por forma a aumentar a manobrabilidade e simultâneamente a altura de transposição. Permitiria uma diversidade de trajectórias na fase aérea Locomoção - Perspectivas de Evolução Variação do fulcro segundo x Trajectória do CM Trajectória da perna Trajectória da perna depois da variação da geometria

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Enquadramento do Festival no Projecto de Automação Descrição do Hardware de controlo. – Diagrama geral de funcionamento – Projecto e fabrico de orgãos mecânicos. Elaboração de software para a navegação autonóma. Considerações – Alternativa de interpretação da imagem – Controlo dos motores passa-a-passo como motores DC. Resultados Finais Sensorização Participação no “Robótica2002”

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Sensorização - Enquadramento do Festival no Projecto de Automação O porquê da participação? Melhorar a sensorização. –Integração de um PC. –Utilização de visão. –Melhorar o controlo da locomoção. A ocorrência do festival em Aveiro. A participação na prova exigia maior manobrabilidade. –Implementação de outro tipo de locomoção (rodas) “QuinamaWheel”.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Caracteristicas da prova robótica – classe UIP Percorrer duas voltas completas à pista, em forma de oito, com menor numero de penalizações. Respeitar sinalização dos semáforos Composta por 3 mangas, aumentando a complexidade do percurso Sensorização - Enquadramento do Festival no Projecto de Automação

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Sensorização - Descrição do Hardware de controlo Leitura deValores digitais Escrita de Valores analogicos USB interface Sensores infra-vermelho Pulsos de controlo Saida analógica Sensores; passadeira, tunel, semáforos. Motor passo-a-passo WebCam Drives de Potência Placa I/O National Instruments ® CPU Diagrama geral de funcionamento

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Sensorização - Descrição do Hardware de controlo Realização de desenhos de definição dos novos componentes: Acoplamentos das rodas aos veios motores. Colocação de duplo apoio nos veios. Suportes para os sensores: Infra-Vermelho, para detecção passadeira, interpretação do semáforo e detecção túnel. Contacto Suporte da WebCam Projecto e fabrico de orgãos mecânicos

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Sensorização - Elaboração de Software para navegação autónoma Algoritmo de tarefas sucessivas pré-programadas, baseado na previsão sequencial de acontecimentos. Através da sensorização é interpretada a fase ou transição entre tarefas. Webcam, sensor da passadeira, sensor do túnel, sensores dos semáforos e sensores de contacto. Algoritmo desenvolvido em MatLab e Simulink, utilizando a toolbox Real Time Windows Target.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Sensorização - Elaboração de Software para navegação autónoma Sequência de execução do algoritmo de controlo: Interpretação adequada da imagem face à respectiva situação ou posição na pista Prioridade de tarefas Acções reactivas Utilização de timeout’s nas fases de transição de tarefas Navegação sem realimentação com aprendizegem de parâmetros Comunicação com a aplicação Simulink e escrita/leitura das saídas digitais

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Sensorização - Considerações Determinação geométrica da direcção a seguir, baseada na previsão. Uma interpretação alternativa de imagem

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Controlo dos motores passo-a-passo. A unidade de controlo deste tipo de motor possuí três sinais principais: clock, direcção, energise. A velocidade angular destes motores é definida através do clock (nº de pulsos por segundo). O deslocamento angular pelo número total de pulsos. Exige continuidade na variação da taxa de pulsos (intervalo de discretização relativamente reduzido). Caso contrário os campos magnéticos do rotor e do estator dessincronizam-se bloqueando o motor Sensorização - Considerações

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Sensorização – Resultados Finais. Utilização de visão artificial no controlo de sistemas. Implementação de circuitos eléctricos simples, VCO – Voltage Control Oscilator e ligações eléctricas de sensores. Utilização de sensores Infra-Vermelho industriais. Obtenção do terceiro lugar na classe UIP

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Integração e Controlo Melhorias ao nível do controlo e sensorização do sistema robótico – Integração de um PC. – Implementação de um sistema de visão, para interpretação de ordens gráficas. – Novo código de PLC – Comunicação PC-PLC PLC / PGU’s WebCam PC Onboard Drives potência Motor Passo- a-passo MelDDE Optimização do sistema ”MecHex”

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Integração e Controlo - Integração de um PC Objectivos: – Maior diversidade no controlo. – Permitir a integração de sensores mais sofisticados. – Permitir a programação noutra linguagem mais versátil.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Integração e Controlo - Implementação de um sistema de visão Algoritmo de interpretação de ordens gráficas – Determinação/ Verificação de um sinal colorido. – Diferenciação da seta da imagem global. – Determinação da orientação da seta.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Integração e Controlo - Novo código PLC Permite receber instruções do PC Adição de novas funções – Sincronização automática das pernas – Paragem de emergência imediata.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Integração e Controlo - Comunicação PC - PLC Comunica de forma transparente com o autómato utilizando o MelDDE. – MelDDE: servidor – MatLab: cliente Escrita e leitura directamente nas variaveis através das funções “ddepoke” e “ddereq” do MatLab.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Integração e Controlo – Resultados Finais Integração de sistemas ou comunicação entre recursos – ligação entre um PLC/PGU’s e um PC através de uma comunicação transparente, via DDE (Dynamic Data Exchange) e interface RS232/RS422. Aquisição de capacidades de interpretação de ordens gráficas e sincronização automática.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Participação na Feira Ciência, Tecnologia e Inovação Demonstração do sistema robótico, a convite da organização. Elevada curiosidade, por parte do público, face a robôs com rodas. 4. Demonstrações

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Participação no Fórum Ciência Viva A convite da organização, “Associação Ciência Viva”, devido ao mérito alcançado no “Robotica2002”. Enquadrou-se na área “Robótica ao Vivo”. 4. Demonstrações

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/ Conclusões Do estudo do mecanismo articulado de locomoção elíptica conclui-se: A geometria obtida possuí uma maior verticalidade na trajectória de aproximação ao solo. Explora as vantagens mecânicas das juntas rotacionais (redução de atritos). As vantagens encontradas não se revelaram suficientemente fortes para justificar a implementação da nova geometria. Constragimentos geometricos da estrutura. Profunda alteração noutros componentes mecânicos necessária. O sistema “MecHex” adquiriu capacidades de interpretação de ordens gráficas e sincronização automática, através Da integração de sistemas, recorrendo a novos sensores Comunicação entre recursos via DDE (Dynamic Data Exchange) interface RS232/RS422. Novo código PLC, com novas funções Devido à reduzida manobrabilidade do sistema, este não permite o pleno uso das capacidades sensoriais adquiridas. Numa análise final, na nossa humilde opinião, os objectivos iniciais foram atingidos de uma forma satisfatória, quer nas metodologias quer nas soluções adoptadas.

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 Agradecimentos Prof.Dr. Vítor Santos Prof.Dr. Filipe Silva Eng. António Festas Eng. José Gonçalo Eng. Alberto Leal Eng. Marco Godinho

Extensão e optimização do Sistema Robótico MecHex Maia & Ferreira Projecto de Automação 2001/2002 FIM Infinitamente mais atendida e mais amargamente sentida foi, porém, uma apologia incumensoravelmente enérgica e valorosa, como um acontecimento de um momento grave, extraordinária afirmação de personalidade, como excelente perlúdio, da finalização do príncipio...