Desenvolvimento de uma plataforma humanóide autónoma de custo limitado: Componentes e Soluções Tecnológicas Autores: A. Cardoso L. Gomes N. Pereira M.

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1 Desenvolvimento de uma plataforma humanóide autónoma de custo limitado: Componentes e Soluções Tecnológicas Autores: A. Cardoso L. Gomes N. Pereira M. Silva V. Santos F. Silva Departamento de Engenharia Mecânica - Universidade de Aveiro

2 Sumário: Motivações: Motivações: Motivações de grandes empresas; Motivações de grandes empresas; Motivações do DEM da UA; Motivações do DEM da UA; Parte estrutural: Parte estrutural: Requisitos na concepção; Requisitos na concepção; Plataforma modelada; Plataforma modelada; Análise estática; Análise estática; Actuação e percepção: Actuação e percepção: Sensores e percepção; Sensores e percepção; Hierarquia do controlo distribuído; Hierarquia do controlo distribuído; Controlo velocidade; Controlo velocidade;

3 Motivos para a construção de um humanóide por grandes empresas: Sonho de imitar o ser humano; Sonho de imitar o ser humano; Plataforma robótica de enorme versatilidade, que se pode adaptar a diversas tarefas; Plataforma robótica de enorme versatilidade, que se pode adaptar a diversas tarefas; Indústria de entretenimento; Indústria de entretenimento; Robótica de serviços (questões psicológicas); Robótica de serviços (questões psicológicas);

4 Humanóides mais conhecidos: QRIO (Sony) e ASIMO (Honda) http://www.plyojump.com

5 Outros humanóides menos conhecidos: HRP 1S (Kawada) e Nuvo (ZMP) http://www.kawada.co.jp/ams/hrp-2/index_e.html HRP tem prevista a sua comercialização em 2008 por $360.000 http://www.plyojump.com/zmp.html Nuvo está em comercialização desde Março de 2004 por $4.600

6 Motivos para a construção de um humanóide no DEM da UA: Aplicar e desenvolver conhecimentos técnicos e de engenharia num projecto de elevada exigência; Aplicar e desenvolver conhecimentos técnicos e de engenharia num projecto de elevada exigência; Desenvolver uma plataforma para participar no RoboCup, na classe KidSize de humanóides; Desenvolver uma plataforma para participar no RoboCup, na classe KidSize de humanóides; Construir uma plataforma para futuro trabalho de investigação; Construir uma plataforma para futuro trabalho de investigação;

7 Requisitos gerais na concepção: AplicaçãoMaterialDensidade (g/cm 3 )Resistência (MPa) Estrutura / MecanismosAlumínio2.7545 – 600 CasquilhosBronze8.9610 VeiosAço7.81270 – 1320 LigaçõesNylon1.490 Graus de liberdade (DOF) suficientes para locomoção versátil (jogar futebol na RoboCup!); Actuadores e baterias existentes no mercado (custo, dimensões, peso, binário, corrente, etc.); Possibilidade de afinação das transmissões; Estrutura e proporções para participar no RoboCup ; Materiais leves mas resistentes;

8 Juntas e graus de liberdade: Junta universal nos pés (2 DOF), para fácil locomoção; Junta esférica na anca (3 DOF) para permitir mudança de direcção; Junta universal na cintura para “ajudar” o arranque e equilíbrio lateral do robot; Junta universal nos ombros, para “ajudar” a locomoção e futuras aplicações; Junta universal no pescoço para poder “olhar” em volta e para o chão; Pé Joelho Anca Estrutura superior

9 A plataforma em números: A plataforma em números: EstruturaPeso (g) Pé355 (2x) Tornozelo81 (2x) Perna413 (2x) Coxa344 (2x) Anca294 (2x) Barra Anca964 Cintura217 Peito286 Braço164 (2x) Pescoço52 Cabeça136 Total4993 Amplitude (graus) Pé (lado)-35º a +35º Pé (frente)-30º a +60º Joelho-45º a +55º Anca (frente)-60º a +60 Anca (lado)-70º a +21º Anca (virar)-90º a +90º Cintura (lado)-20º a +20º Cintura (frente)-90º a +20º Pescoço (lado)-90º a +90º Pescoço (vertical)-90º a +20º Ombro (frente)-90º a +90º Ombro (lado)0º a +90º Cotovelo-90º a +90º Peso de cada elo:Amplitude de movimentos: 60cm Pés: 20 x 8 [cm] 25cm

10 Análise estática: binários e centros de massa Motor / Junta Binário Máximo nesta simulação (N.m) Tornozelo – lado2.37 Tornozelo – frente0.30 Joelho1.17 Anca – frente0.35 Anca – lado2.57 Posição central Inclina ao lado Levanta pé livre Leva pé livre à frente do de apoio Apoia pé livre no chão Inclina ao lado oposto Levanta pé livre Leva pé livre ao lado do de apoio Inclina ao centro (posição central) Próximo passo Parar

11 Actuadores e baterias HITECModeloMassa (g)Binário (N.m) Motor PequenoHS85BB19.80.35 Motor MédioHS715BB1101.08 Motor GrandeHS805BB1522.26 MSI Li-Ion CellsValor Modelo4LI – 2400 Tensão7.2 V Capacidade4800 mAh Corrente max. Sustentada9.6 A Dimensões (mm)37 x 37 x 65 Peso (g)176 Necessidade de razões de transmissão superior a 2, para garantir coeficiente de segurança!!

12 Escolha dos sensores e unidades de percepção Potenciómetros (posição das juntas); Potenciómetros (posição das juntas); Futura unidade de visão (percepção do ambiente); Futura unidade de visão (percepção do ambiente); Determinação da corrente consumida por cada um dos motores; Determinação da corrente consumida por cada um dos motores; Sensores de força (estado de equilíbrio); Sensores de força (estado de equilíbrio); Inclinómetros (inclinação das diferentes partes…); Inclinómetros (inclinação das diferentes partes…); Giroscópios (determinação de velocidades angulares); Giroscópios (determinação de velocidades angulares);

13 Distribuição dos sensores Inclinómetro Giroscópio Potenciómetro (Motores) Motor (HITEC 815BB+) Pé sensível à força MURATA-ENC-03J ANALOG DEVICE - ADXL202JE Unidade de visão (Cabeça) Determinação da corrente consumida Resistência de potência

14 Desenvolvimento de um protótipo de pé sensível à força Pé com 4 Sensores Material – Acrílico Medição da deformação Ponte Wheatstone + Amplificador de instrumentação Extensómetro Protótipo construído para testes

15 Pé sensível à força : Calibração Relação praticamente linear entre o peso (força) e o valor medido; Coeficientes de correlação para as curvas dos 4 extensómetros variam entre 0.983 e 0.998;

16 Exemplo do funcionamento do pé Resposta do motor às forças no pé

17 Hierarquia do controlo distribuído Unidade de controlo principal: Decisões de alto nível e algoritmos de visão artificial; Controlador mestre; Distribui ordens e recolhe dados dos escravos; Controladores escravos; Controlo de 3 motores no máximo por módulo; Aquisição dos valores sensoriais; CONTROLO PRINCIPAL RS232 MESTRE CAN BUS 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 ESCRAVOS ESCRAVOS

18 Vantagens do controlo distribuído Distribuição das tarefas pelos vários módulos; Distribuição das tarefas pelos vários módulos; Funcionamento em paralelo – mais eficiente; Funcionamento em paralelo – mais eficiente; Possibilidade de algoritmos locais de controlo; Possibilidade de algoritmos locais de controlo; Funcionamento independente dos vários módulos; Funcionamento independente dos vários módulos; Melhor diagnóstico; Melhor diagnóstico; Maior tolerância a falhas locais; Maior tolerância a falhas locais;

19 Módulos de controlo escravo Resistências de potência Endereçamento do módulo escravo 3 Portas para controlo dos servomotores Unidade de comunicação CAN Unidade para aquisição de sinais analógicos (16 Máx.) Porta de comunicação série RS232

20 Comunicações entre a unidade principal de controlo e o mestre Mensagens possíveis: 1.Leitura dos valores sensoriais de um escravo a indicar; 2.Leitura da posição de qualquer articulação do sistema; 3.Leitura dos valores dos proveniente dos sensores; 4.Alterar a posição e a velocidade de qualquer junta do sistema; 1º Byte 2º Byte RS232 Identificação da mensagem Valor da posição [0º-180º] MESTRE 76543210 Número da junta Número do módulo de controlo Tipo de mensagem 3º Byte Valor da velocidade [0-5] Controlo Principal

21 Variação de velocidade em servomotores de posição Solução implementada: Solução implementada: Controlo de velocidade por software em malha fechada; Controlo de velocidade por software em malha fechada; Objectivo: Adaptar o controlo para implementar velocidades variáveis em servomotores de posição.

22 Ponto de situação Estrutura – transmissão por polia/correia dentada em todas as juntas onde a actuação não é directa; Estrutura – transmissão por polia/correia dentada em todas as juntas onde a actuação não é directa; Padrões de locomoção a um nível ainda básico; Padrões de locomoção a um nível ainda básico; Unidade de controlo; Unidade de controlo; Mestre e escravo: em fabrico (SMD); Mestre e escravo: em fabrico (SMD); Sensores: placa de piggy-back em desenvolvimento; Sensores: placa de piggy-back em desenvolvimento; Pé em desenvolvimento; Pé em desenvolvimento; Controlo central e visão ainda a definir; Controlo central e visão ainda a definir;

23 Conclusões e perspectivas futuras Solução mecânica; Arquitectura distribuída; Sensor força; Giroscópio e acelerómetro; OBJECTIVO: Participar no RoboCup 2006 na classe para humanóides.

24 Desenvolvimento de uma plataforma humanóide autónoma de custo limitado: Componentes e Soluções Tecnológicas Autores: A. Cardoso L. Gomes N. Pereira M. Silva V. Santos F. Silva Departamento de Engenharia Mecânica - Universidade de Aveiro