ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO DE ACTUADORES LINEARES PARA IMPLEMENTAÇÃO EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA Departamento de Engenharia Mecânica, UA Realizado por: Marco Melo Vasco Quinteiro Orientadores: Prof. Dr. Filipe Silva Prof. Dr. Vítor Santos

I II Objectivos Estudo de dois tipos de actuadores lineares - Compreensão das propriedades dos actuadores - Definição do tipo de controlo adequado - Comparação entre os dois tipos de actuadores II Potencial de utilização no campo da robótica - Implementação da tecnologia em estruturas de inspiração biológica - Avaliação do desempenho global - Comportamento cinemático - Comportamento dinâmico DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Muscle Wires Muscle Wires Características e Propriedades Fios de liga níquel-titânio de pequenos diâmetros (100μm) Muscle Wires Transforma o calor induzido por uma corrente eléctrica (180mA) em movimento mecânico Contrai 5 a 10% do seu comprimento total DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Muscle Wires Concepção do Robô Hexápode Contacto prático com a tecnologia 8 Muscle Wires a funcionar independentemente DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Muscle Wires Concepção de meios de controlo Desenvolvimento da placa de interface (PC) Através dos impulsos, a placa envia corrente para cada músculo A passagem da corrente proporciona os padrões de locomoção pretendidos Teste de padrões de locomoção DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Esquema do funcionamento do Robô Muscle Wires Esquema do funcionamento do Robô Computador 486dx2 Porta Paralela - envio do padrão de locomoção Programa em BASIC Placa de interface com o robô – Corrente para cada Muscle Wire Envio de comandos através do teclado DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Robô Hexápode

Músculo Pneumático Constituição do Músculo -Tamanho ajustável -Peso baixo -Custos reduzidos -Flexibilidade física DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Músculo Pneumático Princípio de Funcionamento Alimentação Pneumática Variação Linear da pressão com a corrente Válvula Proporcional Contracção e relaxamento DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002 Músculo Artificial

Músculo Pneumático Modelo teórico estático e diâmetro D L – Comprimento da malha b – Comprimento de um fio da malha para um comprimento L e diâmetro D P’ – Pressão interna imposta F – Força imposta D – Diâmetro da malha n – número de voltas que um fio de comprimento b dá a uma malha de comprimento L DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Músculo Pneumático Modelo teórico estático Valores de b e n obtidos para os correspondentes valores de L estipulados Valores utilizados para o cálculo dos valores da tabela Representação do comportamento de um músculo segundo o modelo teórico estático proposto DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Propriedades e características I Músculo Pneumático INFLUÊNCIA Propriedades e características I 6 Músculos Diâmetro da Malha Comprimento inicial Comprimento Inicial 11,16, 22 cm 17, 22 mm Diâmetro malha DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Propriedades e características II Músculo Pneumático Propriedades e características II Pressão de alimentação [ 0 .. 6] Bar Hd Massa [ 0.5 .. 11] Kg DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Propriedades e características III Músculo Pneumático Propriedades e características III DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Propriedades e características IV Músculo Pneumático Aproximação a Modelo estático Propriedades e características IV Ymédio=mx+b DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Modelo Biomecânico tricipede braquial Deltóide anterior bicípede braquial DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Modelo geométrico I Músculo Flexor Ombro DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Modelo geométrico II Dimensão Velocidade Aceleração DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Modelo geométrico III Momentos Forças , Momentos Forças DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Simulação Matlab I Espaço dos Músculos DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Simulação Matlab II Desempenho Cinemático Dimensões Exigidas Desempenho Dinâmico Forças/Binarios exigidos DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Pontos de Inserção I b1 b21 b22 θ 01 θ 02 Pontos de Destino Das movimentações b1 θ 02 b21 b22 DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Mudança θ 01 Pontos de Inserção II Forças Dimensões Máximas Forças para um dado ponto de destino Dimensões Máximas diferenças entre a máxima e mínima dimensão do musculo DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Pontos de Inserção III -60º 17.5 cm 8 cm 8 cm -124º DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

FORMULAÇÃO GEOMÉTRICA DO BRAÇO Espaço dos Músculos Braço Pneumático Controlo MATLAB I PID DINÂMICA DIRECTA 2R [Z]corr - E [F] + RUNGE-KUTTA [Z] M-1 [τ] FORMULAÇÃO GEOMÉTRICA DO BRAÇO θ, θ ‘ corr [dZ] [ddZ] [dZ]corr [ddZ]corr DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Controlo MATLAB II Espaço das juntas Espaço dos músculos Espaço das juntas DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Projecto Estrutural I DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Primeiros testes I PLC Carta Analógica Electro-Válvulas Alimentação pneumática DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Braço Pneumático Primeiros testes II DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Conclusões Muscle Wires - Grandes consumidores de corrente eléctrica Ciclo de “aquecimento –arrefecimento – aquecimento” é um processo lento Tempo que o material permite que uma corrente passe por ele é reduzido Controlo limitado - Os Muscle Wire contraem até 10% do seu comprimento inicial - Tempo de activação rápido - Relação força \ peso muito elevada DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002

Conclusões Músculo Pneumático Possibilidade de obter um actuador com características que mais convêm são inúmeras - Os músculos pneumáticos possibilitam a contracção até 25% do seu comprimento das propriedades Em termos dos Músculos O estudo efectuado em relação aos pontos de inserção constituiu uma mais valia para o desempenho global do braço Comportamentos semelhantes entre os obtidos experimentalmente e os obtidos através do modelo teórico estático Controlo no espaço dos músculos foi possível, no entanto com constantes D. P. associadas ao controlador muito elevadas Em termos do controlo dos Músculos O controlo no espaço dos músculos aliado à definição de um modelo dinâmico contribuirá para o desenvolvimento de um controlador real que manipule as forças necessárias fazendo-as corresponder às pressões a impor DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002