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ANALÍSE E ESTUDO COMPARATIVO DE ACTUADORES LINEARES PARA
IMPLEMENTAÇÃO EM ROBÔS DE INSPIRAÇÃO BIOLÓGICA
Realizado por:Marco MeloVasco Quinteiro
Orientadores:Prof. Dr. Filipe SilvaProf. Dr. Vítor Santos
Departamento de EngenhariaDepartamento de EngenhariaMecânica, UAMecânica, UA
ObjectivosObjectivos
Estudo de dois tipos de actuadores lineares
Potencial de utilização no campo da robótica
I
II
- Compreensão das propriedades dos actuadores
- Definição do tipo de controlo adequado
- Implementação da tecnologia em estruturas de inspiração biológica
- Avaliação do desempenho global
- Comparação entre os dois tipos de actuadores
- Comportamento cinemático- Comportamento dinâmico
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Muscle WiresMuscle Wires
Muscle Wires
Fios de liga níquel-titânio de pequenos diâmetros (100μm)
Transforma o calor induzido por uma corrente eléctrica (180mA) em movimento mecânico
Contrai 5 a 10% do seu comprimento total
Características e Propriedades
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Muscle WiresMuscle Wires
Concepção do Robô Hexápode
- Contacto prático com a tecnologia
8 Muscle Wires a funcionar independentemente
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Muscle WiresMuscle Wires
Desenvolvimento da placa de interface (PC)
Teste de padrões de locomoção
Através dos impulsos,a placa envia corrente para
cada músculo
A passagem da correnteproporciona os padrões
de locomoção pretendidos
Concepção de meios de controlo
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Muscle WiresMuscle Wires
Porta Paralela -envio do padrãode locomoção
Placa de interfacecom o robô –
Corrente para cada Muscle Wire
Robô Hexápode
Envio de comandosatravés do teclado
Computador 486dx2Programa em BASIC
Esquema do funcionamento do Robô
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Músculo Músculo PneumáticoPneumático
Constituição do Músculo
-Tamanho ajustável-Peso baixo-Custos reduzidos-Flexibilidade física
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Músculo Músculo PneumáticoPneumático
Princípio de Funcionamento
Alimentação Pneumática
VálvulaProporcional
Contracçãoe relaxamento
Variação Linear da pressão com
a corrente
Músculo ArtificialDEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Músculo Músculo PneumáticoPneumático
Modelo teórico estático
b – Comprimento de um fio da malha para um comprimento Le diâmetro D
L – Comprimento da malha
D – Diâmetro da malha
P’ – Pressão interna imposta
F – Força imposta
31
'
4 2
2
2 b
bP
nFL
n – número de voltas que um fiode comprimento b dá a uma malha de comprimento L
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Músculo PneumáticoMúsculo Pneumático
Modelo teórico estático
Representação do comportamento de um músculo segundo o modelo teórico estático proposto
Valores de b e n obtidos para os correspondentes valores de L estipulados
Valores utilizadospara o cálculo dosvalores da tabela
31
'
4 2
2
2 b
bP
nFL
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Músculo Músculo PneumáticoPneumáticoPropriedades e Propriedades e características características II
Diâmetro Diâmetro da da
MalhaMalha
ComprimentoComprimentoInicialInicial
INFLUÊNCIAINFLUÊNCIA
6 Músculos
11,16, 22 cm11,16, 22 cm
17, 22 mm17, 22 mm
Comprimento inicial
Diâmetro malhaDEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Propriedades e Propriedades e características características IIII
Músculo Músculo PneumáticoPneumático
Pressão de alimentaçãoPressão de alimentação
Massa Massa
[ 0 .. 6] Bar[ 0 .. 6] Bar
[ 0.5 .. 11] [ 0.5 .. 11] KgKg
HdHd
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Músculo Músculo PneumáticoPneumático
Propriedades e Propriedades e características características IIIIII
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Músculo Músculo PneumáticoPneumáticoPropriedades e Propriedades e características características IVIV
Ymédio=mx+bYmédio=mx+b
Aproximação aAproximação aModelo estáticoModelo estático
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Braço PneumáticoBraço Pneumático
Modelo Modelo Biomecânico Biomecânico
bicípede braquial
Deltóide anterior
tricipede braquial
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1
011rS
011rC
1b
r
1b 11F
101
Modelo Modelo geométrico geométrico II
Músculo Flexor Ombro
Braço PneumáticoBraço Pneumático
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Modelo Modelo geométrico geométrico IIII
101122
111 cos2 rbrbz
1
11
101111
sin
zrb
z
11012
12
11
1011
101
11
111
sinsin
...cos
z
rbz
rbz
Dimensão
Velocidade
Aceleração
Braço PneumáticoBraço Pneumático
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Modelo Modelo geométrico geométrico IIIIII
Momentos
Forças
,
11
101sinsin
Zr
11011
111112 sin
0
rb
zFF
sin1111 ibFM
Braço PneumáticoBraço Pneumático
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Simulação Matlab Simulação Matlab II
Espaço dos Músculos
Braço PneumáticoBraço Pneumático
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Simulação Matlab Simulação Matlab IIII
DesempenhoDesempenho CinemáticoCinemático
Desempenho Desempenho DinâmicoDinâmico
Dimensões Exigidas
Forças/Binariosexigidos
Braço PneumáticoBraço Pneumático
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Pontos de Pontos de Inserção Inserção II
b1b1
θθ 01 01
b21b21
b22b22
Braço PneumáticoBraço Pneumático
θθ 02 02
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Pontos de DestinoDas movimentações
Pontos de Pontos de Inserção Inserção IIII
Mudança Mudança θθ
0101
ForçaForçass
DimensõeDimensõess
Braço PneumáticoBraço Pneumático
MáximasMáximasForças para Forças para um dado um dado ponto de ponto de destinodestino
MáximasMáximasdiferenças diferenças
entre a entre a máxima e máxima e
mínima mínima dimensão do dimensão do
musculomusculo
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Pontos de Inserção Pontos de Inserção IIIIII
17.5 cm17.5 cm
-60º-60º
8 8 cmcm8 8 cmcm
-124º-124º
Braço PneumáticoBraço Pneumático
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Controlo MATLAB Controlo MATLAB II
PIDDINÂMICA
DIRECTA 2R
[Z]corr
-
E [F]
+
RUNGE-KUTTA
[Z]M-1
[τ]
FORMULAÇÃO
GEOMÉTRICA DO BRAÇO
θ, θ ‘ corr
Espaço Espaço dos dos
MúsculoMúsculoss
Braço PneumáticoBraço Pneumático
[dZ]corr[ddZ]corr
[dZ]
[ddZ]
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Controlo MATLAB Controlo MATLAB IIII
EspaçEspaço das o das juntasjuntas
Espaço Espaço dosdos
músculmúsculosos
Braço PneumáticoBraço Pneumático
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Projecto Estrutural Projecto Estrutural II
Braço PneumáticoBraço Pneumático
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Primeiros testes Primeiros testes II
PLC
Carta Analógica
Alimentação pneumática
Electro-Válvulas
Braço PneumáticoBraço Pneumático
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
Primeiros testes Primeiros testes IIII
Braço PneumáticoBraço Pneumático
DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002DEM_______________________________________________________projecto automação 2001/2002
ConclusõesConclusões
Muscle Wires
- Grandes consumidores de corrente eléctrica
- Relação força \ peso muito elevada
- Tempo de activação rápido
- Ciclo de “aquecimento –arrefecimento – aquecimento” é um processo lento
- Tempo que o material permite queuma corrente passe por ele é reduzido
- Controlo limitado
- Os Muscle Wire contraem até 10%do seu comprimento inicial
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- Possibilidade de obter um actuador com características que mais convêm são inúmeras - Os músculos pneumáticos possibilitam a contracção até 25% do seu comprimento
- O estudo efectuado em relação aos pontos de inserção constituiu uma mais valia para o desempenho global do braço
- Controlo no espaço dos músculos foi possível, no entanto com constantes D. P. associadas ao controlador muito elevadas
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Músculo Pneumático
ConclusõesConclusões
- Comportamentos semelhantes entre os obtidos experimentalmente e os obtidos através do modelo teórico estático
- O controlo no espaço dos músculos aliado à definição de um modelodinâmico contribuirá para o desenvolvimento de um controlador real quemanipule as forças necessárias fazendo-as corresponder às pressões a impor
Em
te
rmo
sd
as
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da
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Mú
scu
los
Em
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