Projeto e Controle de um Sistema Robótico Quadrúpede

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1 Projeto e Controle de um Sistema Robótico Quadrúpede Aluno: Roberto Bandeira de Mello Orientador: Marco Meggiolaro Introdução Em diversas situações do dia-a-dia há o pensamento de que aquela tarefa a ser executada pode ser perigosa para um ser humano ou haveria a necessidade de alguma espécie de auxílio. Um exemplo disso seria deficientes visuais que dependem da presença de animais ou outras pessoas como guias para seu dia-a-dia, tornando-os muito dependentes. Ou operações de busca e resgate em situações de desastres naturais, nas quais há grande dificuldade e perigo na operação. Uma solução para essas dificuldades seria o uso de robôs que pudessem entrar nesses ambientes de forma a auxiliar a execução das tarefas. Robôs quadrúpedes seriam perfeitos para essa situação, pois conseguiriam entrar em diversos ambientes diferentes, com certa estabilidade e agilidade no movimento (como o robô Cheetah do MIT na figura 1 abaixo), tirando assim o risco associado a quem executaria a tarefa, além de pouparem certo trabalho em outras tarefas. Fig1. Exemplo de Robô Quadrúpede do MIT

2 Atividades Desenvolvidas Foi realizado um estudo do design do projeto mecânico de pernas robóticas, no que diz sentido a melhor conformação de equilíbrio entre resistências às tensões e inércia de rotação. Utilizando-se desse estudo, foi iniciado o projeto de um robô quadrúpede em um software de CAD 3D. É importante ressaltar que o projeto ainda encontra-se em sua fase inicial por ter sido iniciado somente em março, com uma bolsa que foi repassada após abandono do aluno anterior. A grande maioria do que foi feito até agora se resume a leitura de artigos em busca de um maior conhecimento do assunto e do equipamento a ser utilizado. Objetivos O objetivo deste projeto é projetar a mecânica de um robô quadrúpede de baixo custo, e fazer um estudo das formas de controle as quais podemos nos utilizar para controlar a velocidade e a trajetória do robô, realizando diferentes testes com diferentes algoritmos, aplicando depois esse estudo no robô através de microcontroladores e atuadores (abaixo imagens do microcontrolador utilizado, MBED e dos motores elétricos atuadores). Figura 2. Microcontrolador MBED

3 Figura 3. Motor elétrico da POLOLU a ser utilizado Metodologia Através de vários estudos já feitos a respeito de projetos de pernas robóticas, podem-se utilizar os resultados já encontrados a fim de projetar um robô quadrúpede cujo movimento possa ter sua trajetória e velocidade controlados. O primeiro aspecto a se ter em mente no projeto do robô são suas pernas. Elas são o principal componente dele pois realizam seu movimento, além de serem as partes do robô que recebem a maior parte das tensões. Analisando o movimento de corrida de um quadrúpede, observa-se que, para respeitar a conservação do movimento, o impulso vertical durante um período T de locomoção cíclica tem que ser igual ao impulso gerado pela gravidade: Levando em conta um cachorro que esteja galopando a 9m/s, a força normal que é aplicada sobre suas pernas é tipicamente da ordem de 2.6 vezes o peso de seu corpo[1]. Portanto é muito importante no projeto, desenvolver-se pernas que tenham boa resistência às diferentes tensões que agem sobre elas; mas também é importante pernas que possam ter uma rápida aceleração de forma a diminuir o período do movimento, com o objetivo de diminuir tanto as tensões que agem sobre ela, como melhorar a velocidade do robô, característica que está portanto intimamente conectada ao momento de inércia das pernas do robô. Essas duas últimas características geram uma dificuldade no projeto das pernas, pois diminuir o momento de inércia significa diminuir a massa de certos pedaços da perna e portanto diminuir a resistência às tensões desses pedaços. É por isso que as pernas têm as suas pontas bem finas, de forma a ter o menor momento de inércia possível, como no exemplo abaixo.

4 Figura 4. Exemplo de perna de robô quadrúpede A fim de realizar o design desse robô, utilizou-se o software de CAD 3D SolidWorks para modelar peça por peça e depois fazer a montagem. Ainda utilizando o software, podemse realizar simulações de testes de tensões sobre as peças do projeto antes da produção da peça final, com o objetivo de avaliar a qualidade do design feito, sem desperdiçar material previamente. Terminado o projeto no software, a produção das peças será feita com o uso de impressoras 3D, que possibilitam a fabricação de peças de preço relativamente barato e leves, possibilitando o uso de atuadores menos robustos e, portanto, de menor preço, indo de acordo com o objetivo do projeto. Uma etapa intermediária neste ponto é o projeto da parte eletrônica do robô. Inicialmente há componentes principais muito facilmente observáveis: o microcontrolador MBED, que contem o algoritmo de controle do robô; o controlador de velocidade do motor, que recebendo sinais do algoritmo do microcontrolador passa para o motor elétrico sinais que fazem o controle de seu eixo. Ao fim do projeto inteiro, objetiva-se criar uma eletrônica mais simples, que faça o controle dos motores diretamente, sem a necessidade de um microcontrolador, melhorando a velocidade de resposta do robô.

5 A próxima etapa do projeto consiste em criar um método de controle para o robô. Utilizando-se dois atuadores, no caso motores elétricos de corrente contínua, para cada perna, e cada um desses atuadores controlando uma junção diferente da perna, é possível fazer o controle da trajetória e velocidade do robô. Depois de realizar a análise de diferentes algoritmos, chegou-se a conclusão de qual seria o mais promissor. O algoritmo aqui desenvolvido se divide em duas partes. A primeira se utiliza de um controle PID para controle de posição da junção inferior da perna (o que seria correspondente a uma espécie de joelho), possibilitando o movimento do robô na direção vertical. A segunda parte do algoritmo seria responsável pelo controle da perna como um todo (seria o correspondente ao quadril), e movimentará a perna de acordo com a velocidade desejada para o movimento. Este algoritmo será implementado através do microcontrolador MBED. Conclusões O estudo teórico permitiu o uso de conclusões já antes observadas para conseguirmos o design mais próximo possível do ideal para o robô. Ele ainda está sob fase de projeto no SolidWorks. Seguem abaixo algumas imagens de partes do robô que já foram projetadas no software.

6 Figura 5. Atuador do robô projetado no SolidWorks O projeto, até agora, cumpre seu objetivo de manter um custo baixo de produção, levando em conta a simplicidade da eletrônica a ser utilizada, o baixo custo da produção das peças e a não necessidade de atuadores muito robustos. Infelizmente, devido ao pouco tempo de projeto, ainda não se pode ter resultados efetivos e uma análise completa dos procedimentos, muito ainda há de ser feito.