Unidade de Processamento e Sistema de Visão para um Robô Humanóide
1. Introdução ENQUADRAMENTO A concepção de um Robot Humanóide constitui um dos maiores desafios...
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1. Introdução ENQUADRAMENTO A concepção de um Robot Humanóide constitui um dos maiores desafios na área da robótica: Construir um ser artificial semelhante ao homem é um sonho inato Marcas como a Sony ou a Honda já deram os primeiros passos Um projecto de colaboração entre o DETI e o DEM, iniciado em 2003, permitiu a construção de uma plataforma humanóide de baixo custo para a realização de investigação em áreas tão diversas como o controlo, a percepção e a navegação OBJECTIVOS Continuação do estudo dos sensores de pressão Estudo dos sensores de inclinação Estudar e implementar algoritmos de movimentos de alto-nível Criar uma interface visual user-friendly Selecção da Unidade Central de Processamento a adoptar Instalação de Embedded LINUX Integração do sistema de visão e de capacidades de processamento 2. Arquitectura do Sistema Plataforma humanóide 22 graus de liberdade Peso: 6 kg Altura: 60 cm Arquitectura distribuída Rede de controladores interligados por CAN-bus Configuração Master/Multi-Slave Comunicações assíncronas: Master e Slaves: CAN bus a 1 Mbit/s Master e PC: série RS232 a 115 Kbaud Unidades de Controlo Slave: Comandam até 3 actuadores Permitem controlo local Interface via piggy-back Main Main Control Control RS232 RS232 Master Master CAN CAN BUS BUS 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 Slave Slave s Sensores de força mostram uma resposta aceitável Boa resposta no controlo de equilíbrio Zonas de singularidade a evitar O controlador de inclinação do tronco cumpre com os requisitos O algoritmo de locomoção necessita de pequenos ajustes para uma aplicação prática Inicio do movimento pouco funcional O sistema de visão iniciou a sua caminhada Tracking de uma bola com resultados satisfatórios Unidade Central de Processamento Disponibiliza condições de desenvolvimento Perspectivas de futuro Introdução dos giroscópios Integração no simulador de modelo dos sensores Desenvolvimento de uma plataforma de controlo em Linux 12. Conclusões 9. Simulador TwoLegs_22dof Motivações Tornar a interacção com o robô humanóide user-friendly Integração, numa única aplicação, de múltiplo trabalho desenvolvido Funcionalidade Planeamento de trajectórias no espaço das juntas Integração de movimentos de alto-nível Visualização da trajectória Gestão de elementos visuais Bola Escadas Gestor de Movimentos UNIVERSIDADE DE AVEIRO Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática Departamento de Engenharia Mecânica 2006/07 Projecto Humanóide da Universidade de Aveiro Projecto Humanóide da Universidade de Aveiro Orientação: Filipe M.T. Silva DETI-IEETA ([email protected]) Vítor M. F. Santos DEM-TEMA ([email protected]) Autoria: Daniel José Figueiredo Baptista N.º Mec. 21824 - LEET [email protected] .ua.pt Pedro Miguel Sá Figueiredo Ferreira N.º Mec. 27593 - LEET [email protected] 11. Sistema de Visão Câmara Câmara digital Unibrain Fire-i Resolução: 640 x 480, 320 x 240, 160 x 120 Formato: YUV (4:1:1, 4:2:2, 4:4:4), RGB-24bit Frame rate: 30, 15, 7.5, 3.75 fps Saida: FireWire400 Mbps Tracking de uma bola em movimento Pan & Tilt Três graus de liberdade Controlo em três juntas Processamento de imagem (OpenCv) Filtro por cor Detecção de Círculos Cálculo do centro de massa Template Match PAN TILT INCLINAÇÃO DO TRONCO 10. Unidade Central de Processamento PC/104 AMD LX800 CPU Board PC/104 Dual PCMCIA Module Solid State Disk IDE de 44 pin DDR RAM de 256 Mb 200 pin 3. Capacidades Sensoriais Acelerómetros para medir a Acelerómetros para medir a inclinação do tronco inclinação do tronco Giroscópios Giroscópios Potenciómetros para medir Potenciómetros para medir a posição a posição (HITEC Motor) (HITEC Motor) GYROSTAR ENJ03JA GYROSTAR ENJ03JA from MURATA from MURATA ADXL202E from ADXL202E from ANALOG DEVICE ANALOG DEVICE Unidade de Unidade de visão (Câmara visão (Câmara CCD) CCD) Sensores dos pés Sensores dos pés Extensómetros colados a Extensómetros colados a placas deformáveis placas deformáveis Corrente consumida pelo Corrente consumida pelo servomotor servomotor 4. Actuadores Correias de transmissão para elevar binários 2.26 119 HS805BB Pernas & juntas de alto binário 0.35 ~20 HS85BB Braços & juntas de baixo binário Binário (Nm) Massa (g) Modelo Aplicação PW M de controlo de posição (entrada) P osição do m otor (variável) Im pulso de “corrente” (variável) Amplitude fixa 20 m s Sinalde S aída Actuação nas juntas: servomotores HITEC Pequenos, compactos e relativamente baratos Incluem motor, redutor e electrónica de controlo Limitações/desvantagens Não disponibilizam controlo de velocidade e/ou binário Comportamento não linear em função da carga Actuação e Leitura Sensorial Controlo de posição: PWM a 50 Hz e duty-cycle de 1-2 ms Leitura da posição e estimativa da corrente consumida 5. Sensores de Pressão Controlador baseado na matriz jacobiana Controlo do CoP e da altura da anca Equação de controlo: Δq = K·JT·e Δq: incremento de velocidade K: ganho JT: transposta da matriz jacobiana para o CoP e: erro entre o CoP desejado e o medido Strain G auge Flexible beam Footbase Adjustable screw 4 1 4 1 sensor sensor sensor sensor sensor F r F CoM knee z foot roll z foot tilt z knee y foot roll y foot tilt y knee x foot roll x foot tilt x CoM CoM CoM CoM CoM CoM CoM CoM CoM J Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 y x Foot 7. Sensores de Inclinação Situado na anca, permitindo o controlo da inclinação do tronco Função de controlo proporcional Delta - incremento a aplicar ao servomotor 2.5 - relação de transmissão entre o servo e a junta. Erro - diferença entre a inclinação desejada e a medida K - ganho do controlador Resultados Controlo satisfatório da inclinação do tronco k erro Delta 5 . 2 Resposta do controlador 8. Padrões de Locomoção Movimentos quasi-estáticos Velocidade de actuação reduzida Centro de Pressão pode ser aproximado pela projecção do Centro de Gravidade no solo Planeamento de trajectórias Espaço das juntas Espaço cartesiano Movimentos definidos Locomoção Pontapé Rotação Rotação Pontapé Locomoção 6. Acelerómetros / Inclinómetros ) 1 / ( ) 1 / ( g Ay ASIN Roll g Ax ASIN Pitch Acelerómetro ADXL202E da Analog Devices O ADXL202E é um acelerómetro de dois eixos (Pitch e Roll) A escala de medida do ADXL202E é de ±2 g O acelerómetro ADXL202E, permite a medição de acelerações dinâmicas (acelerações instantâneas) e acelerações estáticas ( aceleração da gravidade)
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1. Introdução
ENQUADRAMENTO A concepção de um Robot Humanóide constitui um dos maiores desafios
na área da robótica: Construir um ser artificial semelhante ao homem é um sonho inato Marcas como a Sony ou a Honda já deram os primeiros passos
Um projecto de colaboração entre o DETI e o DEM, iniciado em 2003, permitiu a construção de uma plataforma humanóide de baixo custo para a realização de investigação em áreas tão diversas como o controlo, a percepção e a navegação
OBJECTIVOS
Continuação do estudo dos sensores de pressão
Estudo dos sensores de inclinação
Estudar e implementar algoritmos de movimentos de alto-nível
Criar uma interface visual user-friendly
Selecção da Unidade Central de Processamento a adoptar
Instalação de Embedded LINUX
Integração do sistema de visão e de capacidades de processamento
2. Arquitectura do Sistema
Plataforma humanóide 22 graus de liberdade Peso: 6 kg Altura: 60 cm
Arquitectura distribuída Rede de controladores interligados
por CAN-bus Configuração Master/Multi-Slave
Comunicações assíncronas: Master e Slaves: CAN bus a 1
Mbit/s Master e PC: série RS232 a 115
Kbaud
Unidades de Controlo Slave: Comandam até 3 actuadores Permitem controlo local Interface via piggy-back
Unidades de Controlo Slave: Comandam até 3 actuadores Permitem controlo local Interface via piggy-back
Main Main ControlControl
RS232RS232
MasterMaster
CAN CAN BUSBUS
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SlaveSlavess
Sensores de força mostram uma resposta aceitável Boa resposta no controlo de equilíbrio
Zonas de singularidade a evitar
O controlador de inclinação do tronco cumpre com os requisitos
O algoritmo de locomoção necessita de pequenos ajustes para
uma aplicação prática Inicio do movimento pouco funcional
O sistema de visão iniciou a sua caminhada Tracking de uma bola com resultados satisfatórios
Unidade Central de Processamento Disponibiliza condições de desenvolvimento
Perspectivas de futuro Introdução dos giroscópios
Integração no simulador de modelo dos sensores
Desenvolvimento de uma plataforma de controlo em Linux
12. Conclusões 9. Simulador TwoLegs_22dof Motivações
Tornar a interacção com o robô humanóide user-friendly
Integração, numa única aplicação, de múltiplo trabalho desenvolvido
Funcionalidade
Planeamento de trajectórias no espaço das juntas
Integração de movimentos de alto-nível
Visualização da trajectória
Gestão de elementos visuais
Bola
Escadas
Gestor de Movimentos
UNIVERSIDADE DE AVEIRO
Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática
Departamento de Engenharia Mecânica
2006/07
Projecto Humanóide da Universidade de AveiroProjecto Humanóide da Universidade de Aveiro
Orientação:
Filipe M.T. Silva DETI-IEETA ([email protected])
Vítor M. F. Santos DEM-TEMA ([email protected])
Autoria:
Daniel José Figueiredo Baptista N.º Mec. 21824 - [email protected] .ua.pt
Pedro Miguel Sá Figueiredo Ferreira N.º Mec. 27593 - [email protected]
11. Sistema de Visão
Câmara
Câmara digital Unibrain Fire-i Resolução: 640 x 480, 320 x 240, 160 x 120 Formato: YUV (4:1:1, 4:2:2, 4:4:4), RGB-24bit Frame rate: 30, 15, 7.5, 3.75 fps Saida: FireWire400 Mbps
Tracking de uma bola em movimento
Pan & Tilt Três graus de liberdade Controlo em três juntas
Processamento de imagem (OpenCv) Filtro por cor Detecção de Círculos Cálculo do centro de massa Template Match
PAN
TILT
INCLINAÇÃO DO TRONCO
10. Unidade Central de Processamento
PC/104 AMD LX800 CPU Board PC/104 Dual PCMCIA Module
Solid State Disk IDE de 44 pin
DDR RAM de 256 Mb 200 pin
3. Capacidades Sensoriais
Acelerómetros para medir a Acelerómetros para medir a inclinação do troncoinclinação do tronco
GiroscópiosGiroscópios
Potenciómetros para Potenciómetros para medir a posiçãomedir a posição
(HITEC Motor)(HITEC Motor)
GYROSTAR ENJ03JA GYROSTAR ENJ03JA from MURATA from MURATA
ADXL202E fromADXL202E fromANALOG DEVICE ANALOG DEVICE
Unidade de Unidade de visão (Câmara visão (Câmara
CCD)CCD)
Sensores dos pésSensores dos pés Extensómetros colados a Extensómetros colados a
placas deformáveisplacas deformáveis
Corrente consumida pelo Corrente consumida pelo servomotorservomotor
4. Actuadores
Correias de transmissão para elevar binários
Correias de transmissão para elevar binários
2.26119HS805BBPernas & juntas de alto binário
0.35~20HS85BBBraços & juntas de baixo binário
Binário (Nm)Massa (g)Modelo Aplicação
PWM de controlo de posição (entrada)
Posição do motor (variável)
Impulso de “corrente” (variável)
Amplitude fixa
20 ms
Sinal de Saída
Actuação nas juntas: servomotores HITEC Pequenos, compactos e relativamente baratos Incluem motor, redutor e electrónica de controlo
Limitações/desvantagens Não disponibilizam controlo de velocidade e/ou binário Comportamento não linear em função da carga
Actuação e Leitura Sensorial Controlo de posição: PWM a 50 Hz e duty-cycle de 1-2 ms Leitura da posição e estimativa da corrente consumida
5. Sensores de Pressão
Controlador baseado na matriz jacobiana Controlo do CoP e da altura da anca
Equação de controlo: Δq = K·JT·eΔq: incremento de velocidadeK: ganho JT: transposta da matriz
jacobiana para o CoPe: erro entre o CoP desejado
e o medido
Strain Gauge
Flexible beam
Foot base
Adjustable screw
4
1
4
1
sensorsensor
sensorsensorsensor
F
rF
CoM
knee
z
footroll
z
foottilt
z
knee
y
footroll
y
foottilt
y
knee
x
footroll
x
foottilt
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CoMCoMCoM
CoMCoMCoM
CoMCoMCoM
J
Senso
r 1
Senso
r 2
Senso
r 3
Senso
r 4
y
x
FootFoot
7. Sensores de Inclinação Situado na anca, permitindo o controlo da
inclinação do tronco
Função de controlo proporcional
Delta - incremento a aplicar ao servomotor
2.5 - relação de transmissão entre o servo e a junta.
Erro - diferença entre a inclinação desejada e a medida
K - ganho do controlador
Resultados Controlo satisfatório da inclinação do tronco
kerroDelta 5.2
Resposta do controlador
8. Padrões de Locomoção
Movimentos quasi-estáticos Velocidade de actuação reduzida Centro de Pressão pode ser
aproximado pela projecção do Centro de Gravidade no solo
Planeamento de trajectórias Espaço das juntas Espaço cartesiano
Movimentos definidos Locomoção Pontapé Rotação
Rotação
Pontapé
Locomoção
6. Acelerómetros / Inclinómetros
)1/(
)1/(
gAyASINRoll
gAxASINPitch
Acelerómetro ADXL202E da Analog Devices O ADXL202E é um acelerómetro de dois eixos (Pitch e Roll)
A escala de medida do ADXL202E é de ±2 g O acelerómetro ADXL202E, permite a medição de
acelerações dinâmicas (acelerações instantâneas) e acelerações estáticas ( aceleração da gravidade)
