Laboratório de Máquinas Inteligentes – LMI/ITA

1. Simulação de Walking Machines usando MATLAB/SimMechanics Laboratório de Máquinas Inteligentes – LMI/ITA Jeeves Lopes dos Santos Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA/LMI

2. Introdução O advento da locomoção permite uma maior versatilidade na utilização dos recursos disponíveis em um determinado equipamento. Problema Atacado Rodas Rasteja Pernas Pernas e Rodas Rasteja e Rodas Meios de Locomoção

3. Problema Atacado Locomoção Estática X Dinâmica Coordenação dos atuadores de um robô munido de quatro ou mais pernas, visando uma locomoção estática, independente da sua arquitetura física.

4. Motivação A utilização de pernas permite: • Locomoção em ambientes irregulares e acidentados; • Maior Idenficação com os seres humanos, facilitando a aceitação dos mesmos; • Estudar o sistema de locomoção dos seres vivos; • Originar sistemas capazes de facilitar a locomoção de deficientes físicos, idosos, ou até mesmo para diminuir o esforço físico desprendido por pessoas que tem que se locomover durante longos períodos de tempo.

5. Alternativas de Solução Visão Matemática X Evolucionista

6. Proposta de Solução Utilizar inteligência artificial para permitir o aprendizado em camadas: • A primeira camada de aprendizado diz respeito à coordenação dos atuadores que compõe uma perna; • A segunda camada diz respeito à coordenação das pernas propriamente ditas. O aprendizado deve ocorrer levando em consideração a relação entre três desempenhos: • Velocidade; • Estabilidade; • Consumo de Energia. Como a depender da situação uma determinada relação “VECE” é mais indicada, deve-se utilizar três “zonas de aprendizado” definidas pelo operador. Além dessa definição, o operador deve criar as regras para o chaveamento entre cada zona.

7. Ambiente de Desenvolvimento • Para o desenvolvimento do sistema proposto, há a necessidade de um ambiente no qual as idéias possam ser testadas. • Neste contexto, utilizar um ambiente simulado facilita no desenvolvimento em sua fase inicial, uma vez que: • Não há risco de danificar o robô; • O reposicionamento do robô pode ser realizado sem intervenção humana; • Não há a necessidade de trocar e/ou recarregar a bateria do robô; • Não há necessidade de manutenção do equipamento; • A arquitetura física do robô é facilmente modificada. • Como ferramenta para realizar essa simulação, optou-se pelo toobox do Simulink chamado SimMechanics. Esta ferramenta é um ambiente de modelagem que utiliza diagrama de blocos para construir e simular equipamentos compostos por corpos rígidos e seus graus de liberdade utilizando as leis de Newton para a dinâmica das forças e torques.

8. Simulink/SimMechanics O modelo de perna utilizado para a simulação é composto de três corpos rígidos (A,B,C) com quatro graus de liberdade (0,1,2,3). Os corpos “B” e “C” tem as mesmas dimensões e são baseados no servo motor de modelo HSR-8498HB (modelo que pode ser utilizado na construção real), enquanto que “A” possui dimensões ajustadas para representar o pé do robô. Os graus de liberdade “1”, “2” e “3” permitem apenas o movimento de rotação em um eixo. Já o grau de liberdade “0” permite a translação e a rotação nos 3 eixos

9. Simulink/SimMechanics Atuação nas juntas e nos corpos No SimMechanics pode-se atuar tanto nos corpos como nas juntas. No modelo implementado, as juntas “1”, “2” e “3” recebem um estímulo externo (sinais que possuem os ângulos projetados nas juntas), a junta “0” recebe a atuação da força de atrito calculada e o corpo “A” recebe a atuação da reação de contato com o solo em 4 pontos distintos.

10. Simulink/SimMechanics Modelo não linear de Reação de Contato Hunt-Crossley [ 0 → p < 0 pu.K.[ 1 + D.vy ] → p > 0 Fy = • Onde : • p → Distância de Penetração; • u → Termo que leva em consideração o formato dos objetos • que estão se encontrando; • K → Constante Elástica; • D → Constante de Amortecimento; • FRC → Força de Reação de Contato; • FN → Força Normal. FRC = [0 Fy 0] FN = FRC1 + FRC2 + FRC3 + FRC4

11. Simulink/SimMechanics Modelo de atrito FAE = FN . CAE FAD = FN . CAD • Onde : • Vth → Velocidade Limite; • FAE → Força de Atrito Estático; • FAD → Força de Atrito Dinâmico; • CAE → Coeficiente de Atrito Estático; • CAD → Coeficiente de Atrito Dinâmico. • OBS.: O SimMechanics possui um bloco de atrito, porém devido a dependência da FN, a simulação acarretava em um erro de loop, criando a necessidade de utilizar o modelo proposto.

12. Simulink/SimMechanics Modelo do robô com pernas Quadrúpede Hexápode

13. Simulink/SimMechanics Sinais de Controle Sinal 2 S2 S2 S1 S1 Sinal 1 S2 S2 S2 S1 S1 S1

14. Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Força Normal

15. Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Força de Atrito

16. Resultados Obtidos Simulações - Quadrúpede Inclinação do Robô

17. Próximos passos. • Estudar e implementar a técnica LegGen, desenvolvida na tese de mestrado “Controle Inteligente do Caminhar de Robôs Móveis Simulados”; • Analisar as técnicas de inteligência artificial, para definir qual a vai ser utilizada; • Construir os circuitos de acionamento dos sensores que serão utilizados nos robôs reais montados com o Kit da Bioloid.