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
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
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.
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.
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.
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.