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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

[ 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.

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.

Simulink/SimMechanics Modelo do robô com pernas Quadrúpede Hexápode

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

Simulações - Quadrúpede Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Força Normal

Simulações - Quadrúpede Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Força de Atrito

Simulações - Quadrúpede Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Inclinação do Robô

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.