Dinâmica de um robô móvel hexápode: controlo e otimização

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia MecânicaO interesse no desenvolvimento de robôs móveis autónomos tem vindo a aumentar, principalmente para a execução de tarefas de forma autónoma em ambientes considerados perigosos para o ser humano. Para o deslocamento em ambientes complexos, os robôs hexápodes apresentam uma boa solução devido ao seu elevado número de marchas estáveis com potencial para se adaptarem a qualquer topologia de terreno. Outra característica que motiva o seu desenvolvimento é a sua elevada estabilidade corporal, que é considerada uma prioridade para a navegação nestes cenários. O principal objetivo desta dissertação é gerar uma locomoção trípode para um robô hexápode em plano regular, de forma a que este seja capaz de alterar a sua trajetória para ultrapassar obstáculos autonomamente, utilizando a formulação dinâmica das suas pernas para o controlo da sua atuação. O trabalho é realizado em ambiente virtual, usando um modelo robótico desenvolvido pelo Laboratório de Automação e Robótica (LAR). Após revisão bibliográfica dos conceitos relevantes para a execução deste trabalho, realiza-se a análise cinemática e estática da perna robótica para formular a atuação correta das juntas em relação ao apoio do pé e estudar os esforços estáticos a que o mecanismo está sujeito nestas condições. Com o objetivo de otimizar o modelo estudado, propõe-se um novo desenho para o apoio da perna, para inserir um sensor de força, e ainda se analisa uma possível redução de massa para os componentes da tíbia e o fémur, reduzindo o binário necessário para os seus atuadores. De seguida, elabora-se a arquitetura de controlo do robô, usando a formulação de Newton-Euler das pernas para verificar o efeito das forças e momentos externos na atuação do sistema. A geração de trajetórias e a tomada de decisão para contorno de obstáculos são também implementadas em Python. Para testar o sistema de controlo idealizado, recorre-se ao programa de simulação robótica CoppeliaSim e ao ROS (Robot Operating System) para transporte de informação. Nesta simulação é possível compreender a viabilidade do sistema através da análise da estabilidade da locomoção.The interest in the development of autonomous mobile robots has been increasing, mainly for the execution of autonomous tasks in environments considered dangerous for human beings. For navigating across complex environments, hexapod robots provide a good solution due to their high number of stable gaits which can be adapted to any terrain topology. Another characteristic that motivates their design is their inherent body stability, which is prioritized for walking in these scenarios. The main objective of this dissertation is to generate a tripod locomotion for a hexapod robot walk across a regular plane which allows the change of the robot’s trajectory to autonomously overcome obstacles, using the dynamic formulation of its limbs to control its efficiency. The work is carried out in a virtual environment, using a robotic model designed by the Automation and Robotics Laboratory (LAR). After the bibliographic review of the concepts considered relevant for the execution of this work, the kinematic and static analyses of the robotic leg are performed to formulate the correct actuation of the joints considering the desired position of the foot-tip, and to study the static efforts which the mechanism is subjected in these conditions. To optimize the model studied, a new design is proposed for the leg support to insert a force sensor, and a possible reduction in the mass of the components of the tibia and femur is also analyzed, reducing the torque required for the actuators. Following this train of thought, the robot's control architecture is elaborated, using the Newton-Euler formulation of the legs to verify the impact of the external forces and moments on the system's efficiency. The generation of trajectories and decision-making for surmounting obstacles are also implemented in Python. To test the idealized control system, the CoppeliaSim robotic simulation program and the ROS (Robot Operating System) are used to transport information. In this simulation, it is possible to understand the reliability of the system through the analysis of the locomotion stability