ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO DE ACTUADORES LINEARES PARA IMPLEMENTAÇÃO EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA. Marco Melo Vasco Quinteiro Orientadores: Prof. Filipe Silva Prof. Vítor Santos

I II Objectivos ESTUDO COMPARATIVO DE 2 TIPOS DE ACTUADORES LINEARES POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO NO CAMPO DA ROBÓTICA

Metodologia_1ºObjectivo Compreensão das propriedades dos actuadores Definição das propriedades Comparação entre os dois tipos de actuadores Tabelização das propriedades Definição do tipo de controlo adequado Estudo comparativo Necessidades VS Propriedades/capacidades

Metodologia_2ºObjectivo Implementação da tecnologia em estruturas de inspiração biológica Avaliação do desempenho global Avaliação do potencial Comportamento cinemático Braço antropomórfico Robô hexápode Comportamento dinâmico

Justificação do estudo Actuadores rotacionais Incapacidade/ineficiência, total/parcial da tecnologia actual em alguns tipos de actuação. Motores eléctricos Redutores Procura de soluções noutros campos Necessidade de compreensão dos dispositivos a estudar Estrutura Cópia de sistemas biológicos Mecanismo

Actuadores Actuadores Lineares Músculos Artificiais Muscle Air Wires Muscles Músculos de McKibben Nitinol

Muscle wires_descrição Fios de liga níquel-titânio de pequenos diâmetros Transforma o calor induzido por uma corrente eléctrica em movimento mecânico. Muscle Wires Contrai 5 a 10% do seu comprimento total

Muscle wires_príncipios de funcionamento NITINOL Estrutura cristalina dinâmica Transformação martensite-austenite Contracção e diminuição de comprimento

Muscle wires_propriedades

Muscle wires_príncipios de funcionamento A resistência do fio à corrente eléctrica gera uma fonte de calor. Passagem de corrente Aquecimento do fio Mudança de forma Contracção do fio

Muscle wires_implementação da tecnologiaI Concepção de robô Hexápode Permite: Estudo da tecnologia

Muscle wires_implementação da tecnologiaII Metas : Desenvolvimento de interface (PC) Controle dos actuadores Porta Paralela

Muscle wires_implementação da tecnologiaIII Metas : Desenvolvimento de interface (PC) Teste de padrões de locomoção

Músculo Pneumático Constituição do Músculo Tubo de Latex Conector -Tamanho ajustável -Peso baixo -Custos reduzidos -Flexibilidade física -Resposta Imediata Malha de Cobre

Músculo Pneumático Tipos de Músculos Existentes -Construção diferente BioRobotics Laboratory Center for Bioengineering Universidade de Washington Shadow Robot Company Ltd (UK) Image SI INC (USA) -Construção diferente -Propriedades semelhantes -Mesmo funcionamento -Preços variados Festo AG & Co (Alemanha)

Músculo Pneumático Princípio de Funcionamento Alimentação Pneumática PLC Carta Analógica 0-10 volt Variação Linear da pressão com a tensão Válvula Proporcional Contracção e relaxamento Músculo Artifical Bicep Humano

Músculo Pneumático Análise dos resultados obtidos F=Km*P*(l-lmin) Comprimento inicial do Músculo Levantamento vertical de uma carga Sentido do aumento de Pressão 15,4 cm Força (N) Lei do comportamento dos músculos desenvolvidos F=Km*P*(l-lmin) Curvas deste tipo Linearização do comportamento do músculo Constante característica do músculo Deslocamento (m)

estrutura biomecânica Músculo Pneumático Modelo teórico para a simulação e controlo Modelo geométrico da estrutura biomecânica do braço humano Modelo teórico para a simulação e controlo do braço mecânico De acordo com as observações anatómicas do ombro e do cotovelo Concretização do modelo proposto Software desenvolvido em Matlab d=deslocamento angular desejado =Desloamneto angular do braço produzido Controlador de posição Regulador de binário Actuador eléctrico Robô Erro=d -  Diagrama de blocos do controlador de posição no espaço das juntas

Coriolis/centrifugos Músculo Pneumático Resultados obtidos da análise teórica (no caso dos motores ideais) Deslocamento Velocidade Aceleração das juntas Termos inerciais Coriolis/centrifugos Gravitacionais Binários necessárias para efectuar o movimento Espaço Cartesiano Espaço Juntas

Músculo Pneumático Resultados obtidos da análise teórica (no caso dos músculos) Deslocamento Velocidade Aceleração dos músculos no cotovelo Deslocamento Velocidade Aceleração dos músculos no ombro Forças necessárias impor nos 4 músculos (2 no ombro, 2 no cotovelo) para efectuar o movimento pretendido Espaço das cartesiano Espaço Músculos Novo espaço operacional

Músculo Pneumático Aplicação dos músculos e estudo do modelo teórico Optimizar a geometria do braço e a fixação dos músculos em função dos resultados teóricos Avaliação teórica do comportamento dinâmico dos músculos desenvolvidos, tendo em conta a lei do comportamento destes Tipo de controlo a implementar para os Actuadores Musculares Controlador de posição Regulador de pressão Músculo Robô Diagrama de blocos do controlador de posição no espaço dos músculos.

Músculo Pneumático Aplicação dos músculos e estudo do modelo teórico na prática Elaboração de um braço mecânico composto por 2 juntas com 2 graus de liberdade accionado pelos músculos -Inspiração biológica -Estruturalmente viável