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FILIPE BORGES MARRAVITRI FAVA DE SOUSA

DESENVOLVIMENTO DE UM ROB HUMANIDE PARA COMPETIES

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIAFACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA2011FILIPE BORGES MARRAVITRI FAVA DE SOUSA

DESENVOLVIMENTO DE UM ROB HUMANIDE PARA COMPETIES

Trabalho de Concluso de Curso apresentado ao programa de graduao em Engenharia Mecatrnica da Universidade Federal de Uberlndia como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Engenheiro Mecatrnico.

rea de concentrao: Robtica

Orientador: Professor Dr. Rogrio Sales Gonalves

UBERLNDIA MG2011SUMRIO

CAPTULO 1 - INTRODUO11.1. Objetivo Geral41.2. Justificativa4CAPTULO - 2 COMPETIES ROBTICAS52.1. Competies52.2. RoboCup Soccer Humanoid: Categoria KidSize 9a) O projeto dos robs10b) Restries de dimenses11c) Sensores 12d) Outros aspectos14e) Campo de futebol15CAPTULO 3 ROBS HUMANIDES193.1. ASIMO193.2. Robo-Erectus Senior223.3. Robo-Erectus Senior I (RESr-I)243.4. Robo-Erectus Senior Junior A253.5. Robo-Erectus Senior Jr-AX283.6. RoboRazi Team303.7. KidSize team NimbRo323.8. Open Pino ERATO Kitano Symbiotic Systems Project343.9. Pinocchio353.10. Aldebaran Robotics Nao H25363.11. Exemplos de Robs Humanides Comerciais Utilizados na Categoria KidSize383.11.1. Kumotek KT-X Gladiator PRO Advanced Humanoid Robot 393.11.2. Hitec Robonova-1 Kit with Roboremoco403.11.3. Bioloid Comprehensive Robot Kit413.11.4. Kondo KHR-3HV Humanoid Robot Kit 42

3.12. Descrio das Equipes Finalistas da RoboCUP 201143

CAPTULO 4 FUNDAMENTOS DA LOCOMOO454.1.Terminologia da Locomoo45CAPTULO 5 MODELAGEM DO ROB HUMANIDE51 5.1. Modelagem Matemtica Utilizando Coordenadas Equipolentes51 5.2. Modelo Geomtrico Direto do Rob Humanide EDROM 545.2.1. Perna esquerda565.2.2. Perna direita57CAPTULO 6 ROB HUMANIDE EDROM59 6.1. Descrio dos Recursos Utilizados59 6.2. Projeto Mecnico 596.3. Controle do Humanide via NXT656.4. Sensores706.4.1. Acelermetro706.4.2. Giroscpio716.4.3. NXTCam72 6.5. Definio do Passo do Rob Humanide EDROM74 6.6. Testes Experimentais76

CAPTULO 7 CONCLUSES79CAPTULO 8 BIBLIOGRAFIA81ANEXO I Tabela com a descrio das equipes RoboCup 201185ANEXO II Tabela com os comandos para a programao em NXC91ANEXO III Exemplo de programa com seus devidos comentrios93ANEXO IV Exemplo de programa utilizado para o acelermetro95ANEXO V Exemplo de programa utilizado para o giroscpio97ANEXO VI Exemplos de comandos utilizados para programao da cmera NXTCam99ANEXO VII Modelo geomtrico direto101ANEXO VIII Animao do passo103ANEXOS IX Programa utilizado nos testes107

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Relgio de gua (PIRES, 2002)1Figura 2 - Nicola Tesla e esboos do seu submarino telecomandado. (PIRES, 2002)2Figura 3 Exemplos de Robs. (a) Partida de Futebol de Rob; (b) Detalhes dos robs. (http://www.cs.cmu.edu/~robosoccer/small/ acessado em 27 de julho de 2011)7Figura 4 - Futebol de Robs com Robs Humanides. (a) Classe AdultSize; (b) Classe KidSize; (http://www.robocup2011.org/ acessado em 12/07/2011).7Figura 5 - (a) RoboCup Soccer Simulation 2D; (b) Robocup Soccer Simulation 3D; (c) RoboCup Soccer Small Size; (d) Standard Platform League; (http://www.robocup2011.org acessado em 12/07/2011).9Figura 6 - Modelo plano do corpo de um rob humanide (RoboCup Rules, 2011) (http://www.tzi.de/humanoid/pub/Website/Downloads/HumanoidLeagueRules2011-05-30.pdf acessado em 12/07/2011).10Figura 7 - Ilustrao do campo de viso (RoboCup Rules, 2011); (http://www.tzi.de/humanoid/pub/Website/Downloads/HumanoidLeagueRules2011-05-30.pdf) acessado em 12/07/2011).13Figura 8 Esquema do campo de futebol utilizado (RoboCup Rules, 2011).15Figura 9 Dimenses do campo de futebol para a modalidade KidSize (RoboCup Rules, 2011).15Figura 10 - Dimenses do gol (RoboCup Rules, 2011).17Figura 11 Dimenses do Gol (RoboCup Rules, 2011);17Figura 12 ASIMO; (http://www.wirefresh.com/hondas-asimo-robot-turns-9-shakes-a-leg/ e http://world.honda.com/ASIMO/ acessados em 12/07/2011).20Figura 13- Rob Erectus Senior (ELARA et al.,2006).22Figura 14 - O RESr-I e suas especificaes (http://www.robo-erectus.org/robots/RESr-I.php acessado em 27 de julho de 2011).24Figura 15 - Viso geral do Robo-Erectus Junior A (CALDERON et al., 2006).26Figura 16 - Viso geral do projeto eletrnico do Robo-Erectus Junior A(CALDERON et al., 2006).27Figura 17 - Especificaes das placas de controle. (CALDERON et al, 2006)28Figura 18 - REJr-AX e suas caractersticas fsicas (CALDERON et al., 2008).28Figura 19 - Distribuio dos graus de liberdade no rob (CALDERON et al., 2008).29Figura 20 - Sistemas utilizados no REJr-AX(CALDERON et al., 2008).29Figura 21 - RoboRazi em posio de chute (RAJABZADEH, et al., 2008).30Figura 22 - Esquema do controle do RoboRazi (RAJABZADEH, et al., 2008) .32Figura 23 - Time da equipe. NimbRO(BEHNKE et al., 2006).32Figura 24 - Vistas do projeto do Open Pino.(http://www.robolivre.com/download/dissertacao_banca2B.pdf acessado em 10/04/11)35Figura 25 - Pinocchio e sua movimentao (OSBOURNE, 2010).36Figura 26 - Nao H25 o estado da arte em robs humanides pequenos. (http://www.robotshop.com/world/aldebaran-robotics-nao-academic-robot-v3plus-4.html acessado 12/04/11)37Figura 27 Caracteristicas do rob Nao H25. (http://www.robotshop.com/world/pdf/DatasheetNaoH25.pdf acessado em 12/04/2011)38Figura 28 - Robs humanides comerciais. (a) Rob Kondo KHR-3HV; (b) Bioloid; (c) RoboNova-1 (http://www.robotshop.com/world/biped-development-platforms-1.html).39Figura 29 - Kumotek KT-X Gladiator PRO Advanced Humanoid Robot em posio de saudao. (http://www.robotshop.com/world/ProductPictureViewer.aspx?id=29704 acessado em 09/04/11)40Figura 30 - Caixa do Robonova e Robonova montado.41Figura 31 - Kit Bioloid e algumas das inmeras possibilidades de montagem .(http://www.robotshop.com/Images/robotis-bioloid-comprehensive-kit-detail.jpg acessado em 12/04/11)42Figura 32 - Kondo e suas dimenses.43Figura 33 - Terminologia da locomoo bpede (SURLA et al., 1990).46Figura 34 - Modelo bpede com 7 GDL (ZONFRILL, 2004).47Figura 35 - Esquema do caminhar (SILVA, 2001).48Figura 36 - Angulao realizada pelo tornozelo durante o caminhar (BARELA, 2005).49Figura 37 - Angulao realizada pelo joelho durante o caminhar (BARELA, 2005).49Figura 38 - Angulao realizada pelo quadril durante o caminhar (BARELA, 2005).49Figura 39 Sistemas de referncia rotacionado em torno do eixo .52Figura 40 - Posicionamento dos servomotores e definio da origem dos sistemas de referencia.55Figura 41 - Componentes do kit educacional Lego Tetrix Robotics.60Figura 42 - Montagem feita no SolidWorks. (a) Vista frontal; (b) Vista traseira; (c) Vista em perspectiva.62Figura 43 - Rob montado seguindo o projetado no software (Fig. 43) vista frontal.63Figura 44 - Vista de topo do rob.63Figura 45 - Vista traseira do rob.64Figura 46 (3,5)Servomotores, (6) Controlador de servomotores, (2) CLP, (4) Bateria; (7) Giroscpio e (1) Acelermetro.65Figura 47 - Servomotores utilizados: Hitec HS-485HB; (b) HEXTRONIC HXT900.66Figura 48 - Modelo da ligao dos controladores NXT.68Figura 49 - Modelo da montagem dos controladores, bateria e servomotores.68Figura 50 Servomotor.69Figura 51 Acelermetro.70Figura 52 Giroscpio (http://www.hitechnic.com/cgi-bin/commerce.cgi?preadd=action&key=NGY1044 acessado em 14/07/2011)71Figura 53 NXTCam. (http://www.mindsensors.com/index.php?module=pagemaster&PAGE_user_op=view_page&PAGE_id=78 acessado em 14/07/2011)72Figura 54 - NXTCamView: software utilizado para configurao da cmera (http://www.mindsensors.com/index.php?module=pagemaster&PAGE_user_op=view_page&PAGE_id=78 acessado em 14/07/2011)73Figura 55 - Simulao feita no MatLab do ciclo de movimento do rob humanide EDROM.75Figura 56 - Sequncia da locomoo(INMAN, 1981).75Figura 57 - Sequncia de imagens extradas de um vdeo feito em testes.77

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Dimenses do campo de futebol, (Cotas em centmetros); (http://www.tzi.de/humanoid/pub/Website/Downloads/HumanoidLeagueRules2011-05-30.pdf acessado em 12/07/2011).16Tabela 2 - Dados gerais do Robo - Erectus Senior (ELARA et AL,2006)22Tabela 3 - Graus de liberdade do Rob - Erectus Senior 1 (ELARA et AL,2006)23Tabela 4 - Especificao dos motores utilizados. (ELARA et AL,2006)23Tabela 5 - Dados gerais do Robo-Erectus Junior A (Calderon et al, 2006)25Tabela 6 - Tabela dos parmetros definidos pela regra da competio.61Tabela 7 - Especificaes dos servomotores HS-485HB e HEXTRONIK - HXT900 (http://www.servocity.com/html/hs-485hb_servo.html acessado em 12/07/2011), (http://www.servodatabase.com/servo/hextronik/hxt900 acessado em 13/07/2011)67Tabela 8 - Posicionamento dos membros inferiores, em graus, durante a passada.78Tabela 9 - Comandos utilizados na programao.87Tabela 10 - Comandos utilizados.91

AGRADECIMENTOSAgradecemos ao Professor coordenador do Laboratrio de Automao e Robtica (LAR), Dr. Joo Carlos Mendes Carvalho e tambm aos alunos que utilizam desse mesmo espao para o desenvolvimento de seus projetos, pela estrutura e equipamentos cedidos, assim como a compreenso e pacincia, pois sem eles seria completamente invivel a realizao deste projeto. Equipe de Desenvolvimento em Robtica Mvel (EDROM) ficamos gratos pela oportunidade de fazer parte dessa equipe, que muito nos ajudou com a graduao e formao como engenheiros, e tambm pela disponibilizao de equipamentos e idias para que o projeto fosse desenvolvido.Ficamos gratos em poder agradecer a todos os nossos professores da Graduao, e em especial ao Prof. Dr. Elias Bitencourt Teodoro que regularizou a EDROM e nos motivou a dar os primeiros passos nesta rea da robtica. Ao Prof. Dr. Jos Francisco Ribeiro pela participao na banca avaliadora.Ao nosso Orientador e Coordenador da EDROM, Prof. Dr. Rogrio Sales Gonalves, pelos conselhos e incentivos prestados e tambm pelas idias e sugestes.Agradeo a todos os nossos amigos da EDROM, pelas sugestes, crticas, apoio e amizade demonstrada, principalmente ao Thomas Vergutz, Murilo Mendona Venncio, Luis Otavio Bras Tenani e Alzio Martins Guimares Jnior, pela ajuda prestada na construo e testes do rob humanide.Aos nossos patrocinadores: Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG), RADIX Engenharia e Software, CAF CAJUB, Fundao de Apoio Universitrio (FAU) e a Faculdade de Engenharia Mecnica (FEMEC) da Universidade Federal de Uberlndia (UFU).Por fim, mas no com menos importncia, agradecemos aos nossos pais Wanderley Marra e Rachel Nunes Borges Marra, Gener Sales de Sousa e Mrcia do Rocio Fava de Sousa e irmos pelo carinho, dedicao e incentivo dado para prosseguir com os nossos estudos.

RESUMOEste projeto visa a integrao dos conhecimentos adquiridos nas aulas tericas e prticas da graduao em Engenharia Mecatrnica, da Universidade Federal de Uberlndia, para o planejamento e construo de um prottipo de acordo com as regras da competio de futebol de robs humanides da RoboCup (Robot World Cup Initiative). O projeto est associado s atividades da Equipe de Desenvolvimento em Robtica Mvel (EDROM). O trabalho apresenta inicialmente um breve histrico da robtica, passando pelos objetivos e caracterizando as competies robticas, alm das regras da modalidade futebol de robs humanides. Neste trabalho tambm apresentado uma reviso sobre robs humanides, incluindo o detalhamento dos robs participantes da RoboCup 2011. Em seguida foi feito um estudo da locomoo humana e suas caractersticas, como angulao das juntas dos membros inferiores durante o ciclo do caminhar. Para a modelagem matemtica do rob humanide EDROM foram utilizadas matrizes de transformao homognea. Na seqncia detalhado o projeto do rob humanide EDROM dividido em parte mecnica, controle e sensores. Para o projeto mecnico foram utilizados de softwares de modelagem tridimensional parametrizada. Finalmente, foram feitas simulaes numricas da movimentao, com as dimenses do rob humanide EDROM, e os testes experimentais da movimentao das pernas do rob humanide construdo.

Palavras Chave: Robtica, Rob humanide, EDROM, RoboCup KidSize.

ABSTRACT

This project aims to integrate the knowledge acquired in the classroom and graduation in Mechatronics Engineering from Federal University of Uberlandia UFU to plan and construct a prototype, according to the rules of humanoid robots soccer competition in RoboCup (Robot World Cup Initiative). The project is associated with the activities of the Development Team on Mobile Robotics (EDROM). The paper initially presents a brief history of robotics, showing its goals, featuring robotic competitions, besides showing the rules of humanoid robots soccer game. This work also presents a review of humanoid robots, including details of the robots that participate in RoboCup 2011. Also, a study about human locomotion and its characteristics, such as angulation of the joints of the lower limbs during the walking cycle, was made. To the mathematical modeling of the EDROM humanoid robot it was used homogeneous transformation matrices. In sequence, the Project of EDROM humanoid robot is detailed divided into its mechanics, control and sensors. For mechanical Project parameterized three-dimensional modeling softwares were used. Finally, numerical movement simulations were made, using the dimensions of the EDROM humanoid robot, and experimental tests of the humanoid robots legs movement were built. . CAPTULO 1 INTRODUO

O termo Rob (robot) vem do checo robota que significa trabalho forado (escravo). Os primeiros robs talvez tenham sido os relgios de gua com figuras mveis projetados pelo engenheiro Grego Ctesibius (270 AC), Fig. 1 (PIRES, 2002).

Figura 1 - Relgio de gua (PIRES, 2002)

Leonardo da Vinci (1452 1519) tambm se dedicou ao estudo da robtica. Ele percebeu que a viso era um meio fundamental para adquirir conhecimento, estudar e perceber os fenmenos naturais: Saper Vedere (saber ver) era a chave para desvendar as criaes naturais e com esse conhecimento imaginar e projetar mecanismos que tentavam reproduzir as caractersticas naturais em que estava interessado inclusive do ser humano (PIRES, 2002).Nicola Tesla (1845 - 1943) forneceu uma contribuio pioneira e visionria para a evoluo da robtica. Sonhou com autmatos capazes de tarefas s possveis a seres vivos inteligentes. Para isso os autmatos necessitavam de um elemento correspondente ao crebro humano. Como complicado fabricar um crebro utilizou-se do seu prprio e construiu um modelo de barco submersvel (submarino) controlado a distncia (controlado por rdio), podia comandar o barco para virar direita, esquerda, submergir e emergir, Fig. 2 (PIRES, 2002).

Figura 2 - Nicola Tesla e esboos do seu submarino telecomandado. (PIRES, 2002)

De acordo com a norma ISO 10212, pode-se definir rob como uma mquina manipuladora, com vrios graus de liberdade, controlada automaticamente, reprogramvel, multifuncional, que pode ter base fixa ou mvel, para utilizao em aplicaes de automao industrial. Alm dos robs industriais tm-se tambm os robs mveis.Desde o incio da robtica, vrios estudos tericos e experimentais tm sido realizados com o objetivo de desenvolver equipamentos autnomos para executar diversas atividades em ambientes abertos e fechados. Tais atividades so perfeitamente adequadas para os robs mveis, pois eles so capazes de se locomoverem evitando os obstculos existentes. Um rob mvel pode ser visto como sendo um rob que tem uma mobilidade em relao ao ambiente em que est inserido. Ele pode ser classificado considerando vrios aspectos tais como: a habilidade de locomoo no ambiente (para ambientes internos ou externos); tipo de locomoo (com rodas, pernas ou esteiras); flexibilidade do corpo (corpo nico, multicorpos flexveis ou rgidos); finalidade de uso (para ensino, pesquisa, robs de servio, etc.); forma (antropomrfico, tipo inseto, etc.); ambiente que est inserido (espacial, submarino, etc.) e nvel de autonomia (teleoperado, totalmente autnomo, etc) (KELLY, 1996; GONALVES, 2006). A caracterstica mecnica mais importante dos robs mveis est relacionada com sua estabilidade, que so de duas formas: a estabilidade esttica que consiste na sua capacidade de manter uma configurao a partir de foras de reao; e a estabilidade dinmica que consiste na sua capacidade de manter uma configurao a partir de foras de reao e de foras de inrcia (ANGELES, 2003; RAIBERT, 1986). Por esta razo que estudos sobre os robs que se movimentam sobre pernas mostram que a sua estabilidade depende tanto da forma de movimentao como da quantidade de pernas. Assim, um rob que tem duas pernas, para que mantenha seu equilbrio durante a movimentao necessrio considerar seu comportamento dinmico. Isto quer dizer que durante a realizao do passo no existe equilbrio esttico (rob sobre uma s perna), devendo ento associar com o jogo do seu corpo para que ele no caia. Para que se tenha o equilbrio esttico so necessrias trs pernas, no mnimo, permitindo que a reao resultante com o piso anule (equilibre) o peso do rob. Apesar de serem necessrias trs pernas no mnimo para seu equilbrio, so utilizados, em geral, quatro ou seis pernas. Tal fato se deve por ser mais fcil garantir o equilbrio do rob durante o seu movimento: existe a garantia de se ter sempre trs pernas em contato com o solo quando da retirada de uma perna durante a realizao do passo (KELLY, 1996). Dentre os robs mveis destaca-se o estudo dos robs humanides, que so robs com aparncia semelhante humana, possuindo duas pernas, dois braos, um tronco e uma cabea conectada a um pescoo. A grande dificuldade no desenvolvimento dos robs humanides que estes apresentam duas pernas e, para a sua locomoo, devem moviment-las de forma sincronizada para realizar um deslocamento, com a preocupao adicional de no faz-lo perder o equilbrio e cair, ou seja, deve-se existir um compromisso entre o equilbrio dinmico e esttico. Os robs humanides possuem articulaes conectadas a atuadores para simular as juntas humanas. Dispem de sistema de viso e sensores de movimento que permitem a execuo de aes pr-programadas.

1.1. Objetivos

O objetivo geral do trabalho o desenvolvimento de um rob humanide para competies. O rob deve ser capaz de executar aes pr-programadas como: andar, chutar uma bola, levantar-se aps quedas e reconhecer o cenrio e outros robs (obstculos). Para reconhecer os obstculos o rob deve mapear regies e identificar cores por meio de um sistema de viso computacional, que inclui cmera embarcada e algoritmo de processamento de imagens. Este trabalho est integrado com as atividades da EDROM Equipe de Desenvolvimento em Robtica Mvel da Faculdade de Engenharia Mecnica (FEMEC) da Universidade Federal de Uberlndia (UFU).Os objetivos especficos so: Estudo das regras para competio de robs humanides para jogar futebol; Reviso bibliogrfica dos robs humanides existente para competies; Estudo dos elementos constituintes do rob, com ateno voltada para a parte de servomotores existentes e de seu controle; Desenvolvimento do projeto mecnico do rob humanide; Realizar simulaes computacionais com softwares de modelagem tridimensional/paramtrica (SolidWorks).

1.2. Justificativa

Este projeto visa o desenvolvimento de um rob humanide para jogar futebol, aplicando o conhecimento adquirido no curos de Engenharia Mecatrnica para a realizao deste. Com este projeto pode-se deslumbrar no futuro o uso destes robs em ambiente domstico, entretenimento, militar e suas tecnologias aplicadas na reabilitao do ser humano, por exemplo, com o desenvolvimento de exoesqueletos e sistemas de viso.

CAPTULO 2 COMPETIES ROBTICAS

Este captulo aborda as competies envolvendo robs humanides e as regras das mesmas. O rob foi desenvolvido de acordo com as especificaes impostas nas regras da competio RoboCup.O humanide apresenta a aparncia antropomrfica, isto , que se assemelhe a forma do corpo humano, assim como seus sensores esto posicionados respectivamente em posies semelhantes dos humanos. Um exemplo a montagem das cmeras na parte que se entende como a cabea do rob, limitando os movimentos destas em ngulos de no mximo 180, imitando assim o campo de viso dos seres humanos.

2.1. Competies

A idia de utilizar robs em uma partida de futebol foi mencionada em um artigo de 1992 do professor Alan Mackworth intitulado On Seeing Robots. O objetivo destas competies incentivar a linha de pesquisa de robs autnomos multi agente (MEHL, 2002) com modelos experimentais de baixo custo. Atualmente existem duas organizaes internacionais principais na rea de futebol de robs a RoboCup (Robot World Cup Initiative) organizao Japonesa que possui o apoio das grandes empresas de tecnologia e a FIRA (Federation of International Robot-Soccer Association) que uma iniciativa da Corea do Sul por meio do professor Jong-Kwan Kin do Korean Advanced Institute of Science and Technology iniciada em 1996.O objetivo da RoboCup construir um time de jogadores robticos de futebol que possa vencer o time humano campeo do mundo em 2050. J o objetivo da FIRA levar o esprito da Cincia e da Tecnologia ao leigo e as novas geraes (MEHL, 2002).Estas entidades promovem campeonatos anuais em vrias categorias, que envolvem desde micro-robs at robs bpedes.Ambas as entidades promovem o desenvolvimento da robtica, da viso computacional e da inteligncia artificial. Estes torneios so realizados durante congressos cientficos com a submisso de trabalhos e com o respaldo de entidades internacionais como o IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers.No Brasil, existe a CBR (Competio Brasileira de Robtica) filiada a RoboCup, composta por pesquisadores da rea acadmica, que organiza e promove, periodicamente, um Campeonato Brasileiro de Futebol de Robs. A inteno que o evento seja sediado, alternadamente, pelas diversas universidades e centros de pesquisa envolvidos na rea e filiados a CBR. As regras adotadas pela CBR devem seguir o padro dos campeonatos promovidos pela RoboCup e pela FIRA.Os robs utilizados na competio so delimitados por suas dimenses. Por exemplo, a FIRA delimita o tamanho mximo de cada rob, em uma determinada modalidade, em um cubo de aresta de 7,5 cm. As partidas so compostas por trs ou cinco robs para cada time. A bola utilizada uma bola de golfe laranja, Fig. 3(a). Para as partidas cada equipe pode posicionar uma ou mais cmeras de vdeo sobre a superfcie do campo, que varivel para cada modalidade de competio, para permitir uma viso global do jogo. Os robs so controlados de modo remoto atravs da ligao via radio com o computador de controle sendo o sistema totalmente autnomo. Aps realizada a programao do time, o operador humano s pode comandar via computador o incio e parada dos robs em funo do juiz da partida. Na superfcie superior dos robs so colocadas marcas coloridas para identificar os robs individualmente, Fig. 3(b).

(a) (b)Figura 3Exemplos de Robs. (a) Partida de Futebol de Rob; (b) Detalhes dos robs. (http://www.cs.cmu.edu/~robosoccer/small/ acessado em 27 de julho de 2011)

J a Figura 4 mostra fotos de uma partida de futebol nas modalidades de competio que utiliza robs humanides, Humanoid AdultSize, Fig. 4(a), Humanoid KidSize, Fig. 4(b).

(a) (b)Figura 4 - Futebol de Robs com Robs Humanides. (a) Classe AdultSize; (b) Classe KidSize; (http://www.robocup2011.org/ acessado em 12/07/2011).

A RoboCup constitui um grupo de pesquisa internacional e de iniciativa educacional. uma tentativa de promover pesquisas sobre robtica e inteligncia artificial, fornecendo um problema padro onde uma vasta gama de tecnologias podero ser integradas e analisadas, bem como usadas para a educao integrada a projetos orientados. Para esse efeito a RoboCup escolheu como tema o jogo de futebol promovendo partidas na RoboCup. Para que uma equipe de robtica realmente realize um jogo de futebol, vrias tecnologias devem ser incorporadas, incluindo: princpios de projeto de agentes autnomos, colaborao multi-agente, aquisio de estratgia, raciocnio em tempo real, robtica e fuso de sensores. Enquanto o jogo de futebol utilizado como desafio padro onde uma ampla faixa de esforos so concentrados e integrados, a competio apenas uma parte das atividades dentro da RoboCup. As atividades da RoboCup consistem em: conferncias tcnicas; competies e conferncias internacionais; programas de desafio e programas de educao. No entanto a RoboCup World Championship and Conferences o pilar central das atividades onde os pesquisadores podem se reunir e analisar os progressos das pesquisas.Atualmente a RoboCup promove competies nas modalidades: RoboCup Soccer Simulation 2D, Fig. 5(a); Robocup Soccer Simulation 3D, Fig. 5(b); RoboCup Rescue Simulation Agents; Robocup Rescue Simulation Virtual Robots; RoboCup Mixed Reality; RoboCup Soccer Small Size, Fig. 5(c); Standard Platform League, Fig. 5(d); RoboCup Soccer Humanoid e RoboCup Junior. Material disponvel em .O objetivo principal deste trabalho a participao da Equipe EDROM na modalidade Soccer Humanoid KidSize na competio brasileira de robtica (CBR) em setembro de 2011, (para robs humanides com altura entre 30 e 60 cm), modalidade descrita em detalhes no item 2.2.

(a) (b)

(c) (d)Figura 5 - (a) RoboCup Soccer Simulation 2D; (b) Robocup Soccer Simulation 3D; (c) RoboCup Soccer Small Size; (d) Standard Platform League; (http://www.robocup2011.org acessado em 12/07/2011).

2.2. RoboCup Soccer Humanoid: Categoria KidSize

Nesta modalidade, no Brasil, a partida disputada por dois times contendo entre um a trs jogadores. Estes robs devem possuir formato humanide conforme Fig. 6 compostos por duas pernas, dois braos, um tronco e a cabea. Os robs devem ser aptos a ficar em p, caminhar a partir do padro bpede e ficar apoiados em apenas uma perna permitindo chutar a bola. A bola utilizada nesta modalidade uma bola de tnis laranja. Todas as dimenses do rob so estabelecidas pela norma desde as dimenses dos ps at a cabea (RoboCup Rules, 2011).

Figura 6 - Modelo plano do corpo de um rob humanide (RoboCup Rules, 2011) (http://www.tzi.de/humanoid/pub/Website/Downloads/HumanoidLeagueRules2011-05-30.pdf acessado em 12/07/2011).

a) O projeto dos robs:

As regras para as dimenses foram tiradas da RoboCup Rules 2011, e esto descritas abaixo.A altura H do rob determinada pela Eq. (1):

(1)

A Equao (1) implica que o tamanho total do rob , definido pelo mnimo valor entre e vezes o valor de .Onde denota a altura do rob quando este se encontra em p (com as pernas estendidas como mostrado na Fig. 6) e representa a altura do centro de massa dos robs, medido com ele em p. Em funo da altura so definidas as categorias: define a categoria KidSize;define a categoria TeenSize;define a categoria AdultSize.O rob maior que 160 cm participar da categoria AdultSize e se o rob deve caber em um cilindro com dimetro de 130cm.A nica restrio contida na regra relacionada massa mxima para que os robs possam competir, est associada categoria TeenSize que igual a 20kg. Nas outras modalidades no tem restrio de massa (RoboCup Rules, 2011).

b) Restries de dimenses:

Todos os robs participantes da Humanoid League devem cumprir as seguintes restries de dimenses:1. Cada p deve encaixar em um retngulo de rea; 2. Considerando o p um retngulo, a razo entre o maior lado deste com o menor lado no deve exceder 2,5; 3. O rob deve se encaixar em um cilindro de dimetro ; 4. Os braos quando estendidos ao mximo no sentido horizontal, devem possuir extenso inferior a ; 5. O rob no deve possuir uma configurao onde estendido maior que ; 6. O comprimento das pernas , incluindo o p deve satisfazer a condio: ; 7. O tamanho da cabea , incluindo o pescoo, deve satisfazer a condio de: ; A dimenso definida como a distncia vertical do eixo do brao da primeira articulao no ombro at o topo da cabea, Fig. 6.8. O comprimento da perna medido com o rob em p, a partir da primeira articulao de rotao onde seu eixo reside no plano paralelo ao cho ponta do p (RoboCup Rules, 2011).

c) Sensores

Os robs participantes devem possuir sensores similares aos sentidos do ser humano e estes devem ser colocados em posies aproximadamente equivalentes aos sensores biolgicos humanos. Como particularidades o nico sensor externo ativo permitido o de som colocado na cabea, pescoo ou tronco. Sensores como cmeras e at dois microfones devem ser colocados na cabea do rob acima da articulao do pescoo.O campo de viso dos robs deve ser limitado em at 180 graus. Isto significa que o maior ngulo entre dois pontos na sobreposio do campo de viso de todas as cmeras contidas no rob deve ser menor que 180 graus. Alm disso, o movimento pain-tilt da cabea e das cmeras montadas na cabea do rob so restritos a serem mais humanos, como no s no que diz respeito ao campo de viso, mas tambm a amplitude de movimento das articulaes do pescoo. Portanto o mecanismo para mover a cmera limitado em 270 graus, o que significa 135 graus da posio de viso para frente. O mecanismo de inclinao da cmera limitado em 90 graus (medidos a partir da linha horizontal). Alm disso, se posicionado no ponto central do rob, ele no estar apto para ver ambos os gols para qualquer ngulo de inclinao e para qualquer postura dele imvel ou caminhando. Campo de Viso refere-se ao campo de viso de todas as cmeras juntas e quanto do campo de jogo todas as cmeras juntas podem ver durante um perodo. O quanto do campo de jogo que pode ser visto pelo rob durante toda a partida definido por uma meia esfera com o centro do eixo apontado para frente, no que diz respeito ao plano frontal do rob, como mostrado na Fig. 7:

Figura 7 - Ilustrao do campo de viso (RoboCup Rules, 2011); (http://www.tzi.de/humanoid/pub/Website/Downloads/HumanoidLeagueRules2011-05-30.pdf) acessado em 12/07/2011).

O nmero de cmeras est limitado a duas, permitindo a viso estreo. A viso estreo uma viso computacional utilizada para analisar problemas de reconstruo das informaes tridimensionais de objetos, comparando um par de imagens ao mesmo tempo, utilizando de um pequeno deslocamento lateral (OTUYAMA, 1998). A viso monocular com a utilizao de uma cmera tambm permitida.Os sensores de toque, de fora, e temperatura, podem ser colocados em qualquer posio no rob. permitida tambm a utilizao de sensores dentro do rob que podem medir as quantidades de interesse, incluindo (mas no limitado a) voltagem, corrente, fora, movimento, acelerao, e velocidades rotacionais. Estes sensores podem ser colocados em qualquer posio dentro do rob. Os robs participantes devem agir de forma autnoma. No permitido suprimento de energia externa, teleoperao, controle remoto ou controle cerebral de qualquer maneira.Os robs podem se comunicar apenas atravs da rede wireless disponibilizada pelos organizadores, mas estes devem jogar independente da disponibilidade da rede wireless ou de sua qualidade. Somente os robs podem se comunicar atravs da internet sem fio. Os robs de uma equipe podem se comunicar uns com os outros a qualquer momento durante a partida. Eles podem receber sinais para iniciar e parar de um computador fora de campo. Este computador permitido somente para comunicao sem fio, enquanto a bola estiver em jogo. Pode ser usado para enviar sinais de controle (ex. tiro de meta, penalty, tiro livre) para os robs durantes os acontecimentos do jogo. Qualquer outro tipo de transmisso via computador externo proibida. Nenhum ser humano permitido no campo enquanto a bola estiver em jogo. Os manipuladores dos robs devem pedir permisso ao arbitro para adentrar no campo. Cada equipe pode nomear apenas um manipulador de rob. O manipulador de rob de uma equipe no pode tocar no rob de outra equipe, a fim de evitar qualquer dano ao rob (intencional ou no).

d) Outros aspectos

Os robs devem possuir colorao preta ou cinza escuro (ou seja, RAL 7011 Cinza ferro ou mais escuro) e no reflexiva. Menos de 10% de toda superfcie do corpo podem ter uma maior reflexo, por exemplo, cinza ou branco. Menos de 1% da superfcie do corpo pode ser colorida. Qualquer cor utilizada para o campo (verde, amarela ou azul) ou para a bola (laranja) deve ser evitada, Fig. 8. Braos, pernas e rgos do rob devem possuir aparncia e forma slida. Os robs devem possuir as marcas da equipe. Essas marcas devem possuir colorao magenta ou ciano para diferenciar as equipes. As pernas e os braos dos robs devem ser cobertos pelos marcadores das equipes. Os robs das equipes devem ser unicamente identificados. Eles devem ser marcados com nmeros ou nomes. O rob goleiro deve ser marcado exclusivamente para que ele possa ser facilmente distinguido dos outros robs e dos rbitros. (RoboCup Rules, 2011).

e) Campo de futebol

A partida acontece em um campo retangular, que contm dois gols, linhas que delimitam as dimenses do campo chamadas de linhas de campo e dois pontos de referncia como mostrado nas Figs. 8 e 9. As dimenses do campo esto apresentadas na Tab. 1.

Figura 8 Esquema do campo de futebol utilizado (RoboCup Rules, 2011).

Figura 9 Dimenses do campo de futebol para a modalidade KidSize (RoboCup Rules, 2011).Tabela 1 - Dimenses do campo de futebol, (Cotas em centmetros).KidSizeTeenSizeAdultSize

AComprimento do Campo600900600

BLargura do Campo400600400

CProfundidade do Gol5060

DLargura do Gol150260

EComprimento da rea do Gol6010060

FLargura da rea do Gol300450300

GDistncia da Marca do Penalty180210180

IDimetro do Crculo Central120150120

JLargura Atrs da Linha de Fundo (min)70

KDistncia do Ponto de Referncia para o Campo40

As dimenses dos gols so apresentadas nas Figs. 10 e 11.

Figura 10 - Dimenses do gol (RoboCup Rules, 2011).

Figura 11 Dimenses do Gol (RoboCup Rules, 2011);

Os robs devem ser construdos de forma robusta. Eles devem manter a integridade estrutural durante o contato com o campo, com a bola, ou com outros jogadores. Seus sistemas de sensoriamento devem ser capazes de tolerar nveis considerveis de rudo e perturbao causados por outros jogadores, o arbitro, os manipuladores de rob, e da platia.Alm das caractersticas tcnicas os robs no devem apresentar qualquer comportamento hostil ao seres humanos, aos outros robs e ao campo de jogo. (RoboCup Rules, 2011).

CAPTULO 3 ROBS HUMANIDES

Este captulo apresenta uma reviso bibliogrfica sobre os projetos de robs humanides. So apresentados diversos projetos, com robs de tamanhos variados, que permitem o levantamento dos dados necessrios para a confeco do rob humanide da EDROM para participar da modalidade futebol de rob KidSize. Neste captulo tambm so citados os kits comerciais disponveis para compra que podem ser utilizados como base para a montagem de robs para competies.Os robs so descritos detalhadamente com informaes do tipo: quantidade de servomotores, construo, materiais, sensores e controle.

3.1. ASIMO

O rob humanide de maior destaque o ASIMO e nesta seo ser descrito o seu desenvolvimento com o intuito de demonstrar a dificuldade no desenvolvimento de um rob humanide.O projeto ASIMO foi iniciado em 1986 pela Honda Motor (http://asimo.honda.com/ acessado em 12/07/2011).

Figura 12 ASIMO; (http://www.wirefresh.com/hondas-asimo-robot-turns-9-shakes-a-leg/ e http://world.honda.com/ASIMO/ acessados em 12/07/2011).

O projeto da Honda para criar um rob humanide que ajudasse em determinadas tarefas comeou em 1986. A anlise dos engenheiros responsveis previa que este rob seria capaz de se locomover com certa facilidade no interior de uma casa ou prdio, o que necessitaria de um estudo detalhado e perfeito do modo de andar. A maneira escolhida para comear o projeto foi construindo uma caixa com pernas, e assim que a tecnologia do caminhar fosse completada, adicionariam braos, mos e uma cabea (http://asimo.honda.com/ acessado em 12/07/2011).A linha do tempo deste rob comeou com o rob E0, que possua um mtodo de caminhada esttica, onde este demorava at 20 segundos para completar um passo, isto porque era necessrio esperar o peso se equilibrar no p movido para dar incio ao movimento do p seguinte. Como este tipo de caminhada no correspondia caminhada humana as pesquisas continuaram (http://asimo.honda.com/ acessado em 12/07/2011).A caminhada dinmica, mais semelhante caminhada humana, foi desenvolvida para os robs E1, E2 e E3, a partir de 1987. O rob se inclinava causando um deslocamento do peso para poder mover o outro p, aonde iria se apoiar.Como a caminhada humana no depende apenas das pernas e do peso apoiado sobre cada uma, os engenheiros da Honda continuaram sua pesquisa e implantaram um corpo, braos e cabea no rob, usando estes artifcios para melhorar a caminhada. Em 1991 os robs E4, E5 e E6 j podiam andar sobre rampas e terrenos irregulares alm de subir escadas. Com a tecnologia da caminhada j desenvolvida, as pesquisas se concentraram em melhorar a aparncia do rob. Para isto em 1993 iniciaram as pesquisas com novos prottipos P1, P2 e P3, mais semelhantes a humanides. Surgiram dificuldades quanto ao tamanho e peso dos robs, chegando finalmente ao P3 que possua 1,57 m e 130 kg, alm de um mtodo de caminhada mais suave e gil. Finalmente em 1997 chega-se ao ASIMO, com melhorias no mtodo de caminhada, incluso de articulaes de quadris que permitem mudanas de direo, e com reduo do tamanho para 1,22 m. Esta verso fabricada com liga de magnsio recoberta com plstico e massa de 52 kg (http://asimo.honda.com/ acessado em 12/07/2011).

3.2. Robo-Erectus SeniorO Robo-Erectus Senior foi desenvolvido pelaSingapore Polytechnic. Este primeiro prottipo foi constitudo por pernas desenvolvidas com servomotores, porm o torso do rob possuia pouca movimentao. Seus braos tm 3 graus de liberdade, utilizando para confeco da parte superior um manequim, Fig. 13.

Figura 13- Rob Erectus Senior (ELARA et al.,2006).

Este primeiro prottipo de rob humanide para participar da modalidade AdultSize tem os seus dados apresentados na Tab. 2.

Tabela 2 - Dados gerais do Rob - Erectus Senior(ELARA et AL,2006)RobRobo-Erectus Senior

Peso [kg]30

Tamanho [cm]150

Velocidade ao caminhar [cm/s]20

AtuadoresSmart motor

BateriaLi-Po 24 V

SensoresCmera, bssola , sensor de inclinao

Sistema de ControleSony VAIO notebook

Sistema OperacionalLinux

RedeWireless

O Robo-Erectus Senior utiliza ao todo 20 servomotores distribudos pelo seu corpo como mostra a Tab. 3, cada motor representa um grau de liberdade.Tabela 3 - Graus de liberdade do Robo - Erectus Senior 1 (ELARA et al.,2006)ComponentesGraus de Liberdade

Pernas6x2=12

Braos 3x2=6

Cabea 2

Total20

Os motores DC (Smart motor) utilizados so do tipo sem escova com encoders incrementais acoplados. As especificaes dos atuadores utilizados so mostradas na Tab. 3.

Tabela 4 - Especificao dos motores utilizados (ELARA et al.,2006).EspecificaoesDados do Motor

Mximo torque de sada45 Nm

Mxima velocidade angular238/s

Tenso24 V

Mxima corrente30 A

Resoluo do encoder2000

O notebook acoplado utilizado para a realizao de diversos tipos de tarefas entre elas: processamento visual, navegao e orientao. As especificaes do notebook so: SonyVAIOPCultra porttil com peso de 2quilos,incluindo baterias,processador de 1,1 GHz Pentium M 773, 512 Ram, 20 GB de disco rgido, tela com resoluo SVGA e rede wireless.Os sensores utilizados so: um sensor de inclinao que importante para que o rob possa realizar um caminhar antropomrfico, bssola para orientao e localizao do rob. A viso realizada por uma webcam Logitech640x480 (VGA) CMOS devarreduraprogressivacomlentespadrominiatura.A taxa de quadrosde 30fpspara640x480(ELARA et al.,2006).O controle do rob realizado pela programao do computador com sistema operacional Linux que utilizado para conseguir um controle em tempo real (ELARA et al.,2006).3.3. Robo-Erectus Senior I (RESr-I)

O Robo-Erectus Senior I (RESr-I) a evoluo do Robo-Erectus Senior. Ele um rob humanide que foi completamente fabricado e desenvolvido pela Singapore Polytechnic e utilizado na Humanoid League da RoboCup2007 onde conseguiu o 4 lugar na disputa de penaltis para a categoria AdultSize. Este projeto construdo de forma modular muito diferente de seu predecessor (http://www.robo-erectus.org/robots/RESr-I.php acessado em 27 de julho de 2011).OrobbpedeRESr-I constitudo porum conjunto demdulosformados poratuadores,articulaespassivas econectoresque podemser facilmente montados para dar origem aorobcompleto.Cadamdulo contm um motor, um controlador, um amplificador e a interface de comunicao. O mdulo possui geometria cbica com mltiplos soquetes que possibilitam que dois mdulos sejam conectados de diversas formas e em direes diferentes. A Figura 14 mostra uma imagem do RESr-I e suas especificaes.

Figura 14 - O RESr-I e suas especificaes (http://www.robo-erectus.org/robots/RESr-I.php acessado em 27 de julho de 2011).3.4. Robo-Erectus Junior A

O Robo-Erectus Junior A um rob humanide que foi completamente fabricado e desenvolvido pela Singapore Polytechnic, para participao da RoboCup modalidade KidSize. Da mesma forma que o rob humanide Robo-Erectus Senior I este foi construdo de forma modular. Seu esqueleto constitudo por estruturas de alumnio com exceo da cabea e das mos que so feitas de plstico (CALDERON et al., 2006).A Tabela 5 mostra as especificaes Robo-Erectus Junior A como altura, largura e comprimento.

Tabela 5 - Dados gerais do Robo-Erectus Junior A(CALDERON et al, 2006)RobRobo-Erectus Junior A

Peso [kg]3.2

Altura [mm]480

Comprimento [mm]150

Largura [mm]270

Velocidade ao caminhar [m/min]2

AtuadoresServomotores

BateriaLi-Po 6 V

SensoresCmera, bssola, sensor de inclinao

O Robo-Erectus Junior A, Fig. 15, possui 24 graus de liberdade, para cada grau de liberdade foi usado um servomotor Dinamixel DX-117, estes servomotores tm torque nominal de 28,89kg.cm e velocidade angular de 0,172sec/60 (CALDERON et al., 2006).

Figura 15 - Viso geral do Robo-Erectus Junior A (CALDERON et al., 2006).Os servomotores possuem um micro-controlador responsvel por receber comandos e monitorar o desempenho. Atravs de uma rede RS485 todos os servomotores so conectados a um processador que envia e recebe dados (posio angular,velocidade,tenso, temperatura) de cada um (CALDERON et al., 2006).A Figura 16 mostra os trs micro-processadores e os principais dispositivos que fazem parte do controle do Robo-Erectus Junior A. So utilizados subprocessadores para melhoria do desempenho do sistema. A Figura 17 mostra uma tabela com as especificaes das placas utilizadas para cada microprocessador (CALDERON et al., 2006).

Figura 16 - Viso geral do projeto eletrnico do Robo-Erectus Junior A(CALDERON et al., 2006).

Os processadores so dedicados e cada um possui tarefas especficas. O processador principal coordena todas as operaes realizadas pelo rob, coleta informaes dos sensores e envia os dados para os servomotores e realiza comunicao por rede sem fio do tipo wi-fi com outros robs (CALDERON et al., 2006).Osubprocessador1, Vision Processor, citado nas Figs. 16 e 17, processa asimagensobtidas pela cmera USB e se comunica com o processador principal pela porta serial RS232 (CALDERON et al., 2006).Osubprocessador 2 recebe os comandos para os servomotores do processador principal. Os comandos so validados e depois so enviados para os servomotores pela porta RS485. A resposta do motor coletada e enviada para o processador principal. Estes dados so atualizados a cada 16,6 ms (CALDERON et al., 2006).

Figura 17 - Especificaes das placas de controle. (CALDERON et al, 2006)

O rob possui trs sensores: a camera USB que utilizada para a captura de imagens, um sensor de inclinao para detectar quedas e um sensor bssola para a orientao do rob (CALDERON et al., 2006).

3.5. Robo-Erectus Jr-AX

O Jr-AX foi projetado para a competio da RoboCup de 2007 para a categoria Kidsize pela Singapore Polytechnic sendo o seu predecessor o REJr-A (CALDERON et al., 2008).A Figura 18 mostra uma foto do rob com suas caractersticas fsicas, velocidade de caminhada e seus sensores. A massa apresentada na tabela contida na Fig. 18 a do prottipo incluindo suas baterias (CALDERON et al., 2008).

Figura 18 - REJr-AX e suas caractersticas fsicas (CALDERON et al., 2008).

O rob possui 24 graus de liberdade distribudos pelo corpo, cada grau usa um servomotor Dinamixel DX-117. Cada um possui um microcontrolador que monitora e controla os servos atravs de uma rede RS 485. Os servos so ligados a um servidor que envia os comandos de posio e monitora os seguintes dados de cada servo: posio angular, velocidade, temperatura, voltagem e temperatura. A Fig.19 mostra como os graus de liberdade esto distribudos ao longo do corpo (CALDERON et al., 2008).

Figura 19 - Distribuio dos graus de liberdade no rob (CALDERON et al., 2008).A figura 20 mostra como esto dispostos os sistemas utilizados no REJr-AX.

Figura 20 - Sistemas utilizados no REJr-AX(CALDERON et al., 2008).As baterias utilizadas so baterias recarregveis de polmero de ltio e pesam 110 gramas cada. O rob utiliza duas baterias que ficam alocadas em seus ps, cada bateria provem 12V e o rob possui uma autonomia de 20 minutos com as baterias totalmente carregadas (CALDERON et al., 2008).

3.6. RoboRazi Team

O RoboRazi foi desenvolvido pela Razi University de Kermanshah, Ir . Este foi desenvolvido para a categoria Kidsize da RoboCup de 2008. O RoboRazi possui 40 cm de altura e massa de 3 quilos com as baterias inclusas. Este possui 20 graus de liberdade distribudos pelo rob e para cada grau foi utilizado um servomotor MG995 (massa de 52gramas e torque nominal de 15kg.cm). Foram utilizados 5 graus de liberdade para cada perna, 3 em cada brao, 2 no tronco e 2 para a movimentao da cabea. A Figura 21 mostra o rob em posio de chute. Nesta Figura 21 pode se observar sua arquitetura modular e para o projeto da cabea foi utilizada uma webcam (RAJABZADEH, et al., 2008).

Figura 21 - RoboRazi em posio de chute (RAJABZADEH, et al., 2008).O rob totalmente autnomo sendo alimentado por duas baterias de polmero de ltio recarregvel, que se encontram alojadas dentro do tronco. Cada bateria pesa cerca de 200 g e o rob possui uma autonomia de 20 minutos quando ambas se encontram carregadas. Deve-se destacar que uma partida da RoboCup possui dois tempos de 5 minutos.(RAJABZADEH, et al., 2008).Os servomotores so interligados placa central, que possui dois chips Atmega32 e um controlador 8 bits da famlia AVR, que fica localizada no peito do rob. A placa possui2Kb RAM,32kB flash2kB Eprom,uma interface serial RS232,barramento SPI,3timers,3canais para controle PWM e 8conversoresA/D, que pode controlar at 30 servomotores (RAJABZADEH, et al., 2008).Os robs possuem um acelermetro de duas dimenses, uma cmera e um computador principal que faz o controle e monitoramento de todos os servomotores, da viso e a comunicao sem fio. O computador usado foi um pocket PC com um peso de 167g. OiPAQhx2790Pocket possui um processador IntelPXA270de 624 MHz,320MB de ROMe64 MBSDRAM, umdisplaysensvel ao toque comresoluoVGA, Bluetooth,rede sem fio e interface serial RS232 (RAJABZADEH, et al., 2008).A figura 22 mostra um esquema de como realizado o controle das funes do rob, os servomotores possuem um controlador que se comunica com o pocket PC que passa os comandos para os servos de acordo com os sensores.

Figura 22 - Esquema do controle do RoboRazi (RAJABZADEH, et al., 2008) .3.7. KidSize team NimbRoO rob construdo pela equipe NimbRO da University Freiburg, Alemanha, para a participao na RoboCup de 2006 na categoria KidSize, possua altura de 60 cm e massa de 2,3 kg com as baterias inclusas. A Figura 23 mostra o time de robs confeccionados para a competio.

Figura 23 - Time da equipe. NimbRO(BEHNKE et al., 2006).O rob possui 19 servomotores divididos da seguinte forma: 6 por perna, 3 em cada brao, 1 no tronco. Os seis servomotores utilizados em cada perna permitem um melhor caminhar. Para a articulao do quadril foram usados trs servomotores alocados de forma ortogonal, para o joelho foi utilizado um servo e para o tornozelo dois servomotores ortogonais.(BEHNKE et al., 2006).As articulaes dos joelhos, tornozelo e giro do quadril necessitavam de um maior torque por isso foram utilizados servomotores Futaba S9152 com torque de 200 N.cm e massa de 85 g. Para as outras articulaes com exceo dos braos foram utilizados servos DS 8811 de 190 N.cm de torque e massa 66g. Os braos possuem servos do tipo SES640 de 64 N.cm de torque e massa de 28g, foram usados servomotores com menor torque porque os braos so menos solicitados. Nos braos foram utilizados dois servos ortogonais para o ombro e apenas um para o cotovelo. (BEHNKE et al., 2006).Foram utilizadas duas baterias Kokam com alta corrente (2000 mAh) para a alimentao de cada rob. Estas possuem autonomia de 30 minutos com as baterias totalmente carregadas. As baterias ficam localizadas no peito do rob e pesam 110 gramas cada.(BEHNKE et al., 2006).Os servomotores so interligados a trs placas ChippS12. As placas se encontram uma em cada perna e uma dentro do tronco do rob. Cada placa possui um chip Motorola MS9S12C32, um controlador de 16 bits da famlia HCS12, possuindo 2kBRAM, flash32kB,uma interface serial RS232,8timers,5 canais dePWM,e8conversoresA/D. Cada placa pode controlar at 6 servomotores.(BEHNKE et al., 2006).Alem das placas de controle dos servomotores os robs so equipados com um sensor de atitude e uma bssola. O sensor de atitude localizado no peito e composto por um acelermetro de duas dimenses, ADXL203, e dois giroscpios, (ADXRS150/300,150/300graus/s).(BEHNKE et al., 2006).As placas se comunicam com um pocket PC que faz o processamento dos dados dos servomotores e o processamento das imagens adquiridas pela webcam localizada na faringe do rob. O pocket PC utilizado foi oPocketLoox720FSC com peso de 170g, com um processador XScale 520MHzPXA-272, 128MB RAM,64MBde memriaflash, umdisplaysensvel ao toque comresoluoVGA, Bluetooth,rede sem fios,uma interfaceserial RS232, euma cmera de1,3 megapixels integrada.(BEHNKE et al., 2006).3.8. Open Pino ERATO Kitano Symbiotic Systems ProjectO rob Open Pino foi desenvolvido pela ERATO Kitano Symbiotic Systems Project, uma corporao de cincia e tecnologia ligada ao ministrio da educao, cultura, esporte, cincia e tecnologia do Japo, tendo como lder Hiroaki Kitano. O projeto tem como objetivo produzir um humanide de baixo custo para disseminar as pesquisas em plataformas humanides (fonte tirada de http://www.robolivre.com/download/dissertacao_banca2B.pdf acessado em 10/04/11)Qualquer pesquisador interessado pode ter em suas mos os projetos de hardware e software por meio da GNU Free Documentation License e GNU General Public License respectivamente.Pino possui uma estrutura mecnica com muitos graus de liberdade o que lhe d capacidade de realizar uma grande variedade de movimentos. Ao todo so 26 graus de liberdade. Estes graus de liberdade esto distribudos ao longo do corpo deste modo: 6 em cada perna; 5 em cada brao; 2 no pescoo; e 2 no tronco.A Figura 24 mostra o esquema da montagem de Pino como todos os seus servomotores que so da Futaba de dois tipos, com torque de 20 Kgf.cm e com torque de 8 Kgf.cm respectivamente. Ambos os ps possuem quatro sensores de fora que so responsveis por mandarem informaes sobre o contato com o solo e o modo como o rob se encontra. O rob tambm possui um sistema de viso alocado em sua cabea.

Figura 24 - Vistas do projeto do Open Pino.(http://www.robolivre.com/download/dissertacao_banca2B.pdf acessado em 10/04/11)

Os sinais obtidos pelos sensores so mandados para um computador que possui conversores A/D e uma placa de captura de imagens. O controle realizado pelo computador que tem processador Pentium III 733 Mhz e 512 Mbytes de memria Ram e sistema operacional de tempo real RT-Linux. Possui tambm um micro controlador SH7050 da Hitachi embarcado no sistema robtico e um dispositivo lgico programvel do tipo ex10k30aqc240-3 fabricado pela Altera, tambm embarcado.

3.9. Pinocchio

Pinocchio foi construdo por dois alunos da Friedrich Schiller University de Jena. Deram este nome ao prottipo por ele ter que ficar sustentado por fios de nylon.O interessante nesse projeto que foram utilizados para a montagem do rob apenas kits LEGO NXT MindStorm (OSBOURNE, 2010).Pinocchio apresentado na Fig. 25. Este simula o caminhar humano com a utilizao de 3 servomotores em cada perna, dois controladores lgicos programveis (CLPs) da LEGO e dois sensores ultrasom localizados estrategicamente em frente as coxas do rob. O prottipo foi construdo para o estudo do caminhar humano e tcnicas de programao.

Figura 25 - Pinocchio e sua movimentao (OSBOURNE, 2010).

3.10. Aldebaran Robotics Nao H25

O Nao H25 o rob humanide desenvolvido para pesquisa, disponvel para compra somente para grupos de pesquisa e Universidades, que se aproxima mais dos movimentos e comportamentos dos seres humanos. o rob oficial da RoboCup modalidades Robocup Soccer Simulation 3D e Standard Platform League. Este rob tem uma altura de 58 cm e massa de 4,8 kg sendo totalmente autnomo. Possui 25 graus de liberdade espalhados da seguinte maneira: 2 na cabea, 5 em cada brao, 1 na plvis, 5 em cada perna e 1 em cada mo. A Figura 26 mostra um Nao H25 e pode-se notar que sua estrutura bem trabalhada.

Figura 26 - Nao H25 o estado da arte em robs humanides pequenos. (http://www.robotshop.com/world/aldebaran-robotics-nao-academic-robot-v3plus-4.html acessado 12/04/11)

Os 25 servomotores e os sensores embarcados do Nao H25 fazem com que este realize vrios movimentos dos seres humanos. Alm disso, o rob vem com um computador embutido capaz de acessar internet atravs de conexo segura e realizar downloads e uploads. O Nao possui dois alto falantes e vrios microfones, sendo capaz de tocar msicas, reconhecimento de voz em 8 lnguas e de falar em 20 lnguas. Possui a capacidade de interagir com o meio ambiente, virando a cabea para a fonte sonora caso necessrio.O sistema de viso com duas cmeras lhe permite tirar fotos, gravar vdeos, reconhecer objetos e pessoas. Com este sistema de viso o rob se torna capaz de desviar de objetos sozinhos e memorizar o caminho at o quarto. Tem a capacidade de voltar para a base (local) de recarga sozinho quando a bateria est baixa.O Nao capaz de aprender comportamentos ensinados pelo usurio. O fabricante afirma que possui programao simples para que desde o iniciante at o profissional possam programar.A figura 27 foi retirada do data sheet do Nao H25, que apresenta todas as especificaes do rob. O Nao H25 est a um preo de US $15.999,00 em sites especializados (http://www.robotshop.com/world/aldebaran-robotics-nao-academic-robot-v3plus-4.html acessado em 12/04/2011).

Figura 27Caracteristicas do rob Nao H25. (http://www.robotshop.com/world/pdf/DatasheetNaoH25.pdf acessado em 12/04/2011)

3.11. Exemplos de Robs Humanides Comerciais Utilizados na Categoria KidSize

Para esta modalidade da competio os robs podem ser desenvolvidos a partir de kits robticos comerciais como os apresentados na Fig. 28.

(a) (b) (c)Figura 28 - Robs humanides comerciais. (a) Rob Kondo KHR-3HV; (b) Bioloid; (c) RoboNova-1 (http://www.robotshop.com/world/biped-development-platforms-1.html).

A desvantagem destes robs que estes no possuem sistema de cmera e muitas vezes a placa controladora no permite o processamento de imagens. Desta forma necessrio a troca do controlador e o desenvolvimento da programao para movimentao, processamento de imagem e comunicao entre os robs da equipe.A seguir os principais kits comerciais sero descritos.

3.11.1. Kumotek KT-X Gladiator PRO Advanced Humanoid RobotProduzido pela KumoTekRoboticandVstoneCorporationof Japan o Gladiator tem capacidade de levantar pequenos objetos e at robs de mesmo tamanho. Foi concebido principalmente para as competies de sumo de robs. O Gladiator tambm pode ser utilizado para futebol e outras modalidades esportivas.O rob possui 19 graus de liberdade e os servomotores utilizados so do tipo KT-S281J todos com engrenagens de metal que oferecem um torque maior que os servomotores de plsticos normalmente usados. Ao se comprar um kit desses o cliente recebe o rob totalmente montado tendo que se preocupar apenas com a parte da programao do mesmo.O Gladiator possui um giroscpio de dois eixos e um acelermetro de trs eixos. Suas dimenses so: altura 383mm, largura 180mm e profundidade de 73 mm. A Figura 29 mostra um rob montado em posio de saudao.

Figura 29 - Kumotek KT-X Gladiator PRO Advanced Humanoid Robot em posio de saudao. (http://www.robotshop.com/world/ProductPictureViewer.aspx?id=29704 acessado em 09/04/11)

Este possui um processador de 60MHz com 512KB ROM e 64KB RAM, um alto falante para reproduo de sons e uma cabea mvel com leds como olhos.Os graus de liberdade so divididos da seguinte maneira: 6 em cada perna, 3 em cada brao e 1 para a cabea. O preo em sites especializados por volta de US$5.885,00.

3.11.2. Hitec Robonova-1 Kit O Robonova produzido pela Hitec Robotics um dos kits mais utilizados para se jogar futebol de robs na categoria KidSize, devido seu relativo baixo custo e a boa durabilidade devido as peas estruturais serem todas de metal.A Figura 30 mostra a caixa aonde o rob vem desmontado e ao lado uma imagem do mesmo montado.

(a) (b)Figura 30 - Caixa do Robonova e Robonova montado.(http://www.robotshop.com/world/ProductPictureViewer.aspx?id=24610 acessado em 10/04/11)

O kit oferece um pacote completo com o qual se pode montar o rob que vem com uma placa micro controladora MR-3024 para at 24 servomotores,16 servomotores HSR-8498HB, bateria recarregvel NiMH e o carregador, um manual e o programa bsico para programao.Uma facilidade do Robonova que ele possui a funo Catch & Play Function que proporciona uma forma simples de program-lo. Utilizando o Using RoboScript ou RoboBasic, para moviment-lo e coloc-lo em uma posio e clicar no mouse para capturar esta posio, mudar a posio e realizar o mesmo processo. O programa salva essas posies e faz a transio entre elas. O preo de Mercado do Robonova de US$ 926,99.

3.11.3. Bioloid Comprehensive Robot KitConjuntamenete com Robonova o kit Bioloid tambm muito utilizado em competies de futebol de robs de at 60 cm por ser o mais barato na verso bsica.O kit totalmente modular o que proporciona o uso para diversos tipos de projetos e no apenas o humanide como pode se visualizar na Fig. 31. A desvantagem que suas peas so de plstico o que as torna mais frgeis e menos durveis se comparado ao Robonova.

Figura 31 - Kit Bioloid e algumas das inmeras possibilidades de montagem .(http://www.robotshop.com/Images/robotis-bioloid-comprehensive-kit-detail.jpg acessado em 12/04/11)

Assim como seu concorrente RoboNova o Bioloid no possui uma cmera integrada para a aquisio de imagens mas essa pode ser acoplada com a utilizao de uma placa vendida separadamente. O kit composto por um processador CM-5 (Atmel ATMega128),18 servomotores do tipo AX-12+,1 mdulo de sensor AX-S1, um kit de baterias recarregaveis (9.6V 2500mAh), 2 softwares freeware, cabo serial de 9 pinos100 placas de plstico, rodas, pneus, espaadores, buchas, porcas e parafusos. O preo do kit mais simples da Bioloid por volta de US$ 899,00.

3.11.4. Kondo KHR-3HV Humanoid Robot Kit

O rob KHR-3HV, lanado pela Kondo Kagaku, Fig. 28(a), foi criado para imitar os movimentos humanos. O kit composto por um rob com 17 graus de liberdade, podendo ser expandido para at 22 graus de liberdade. Algumas melhorias foram feitas neste modelo, a partir do antecessor, como possuir uma grande facilidade para se levantar partindo de uma posio sentada que importante em competies de futebol.O KHR-3HV em seu kit traz 22 servo motores KRS-2552HV, entrada para USB, um kit de baterias recarregveis de 10.8V-800mAh, uma placa RCB-4 que capaz de realizar o controle de at 35 servos.O KHR-3HV assim como seus concorrentes no possui cmera. A Figura 32 mostra as dimenses do rob detalhadamente. Este possui 40 cm de altura; 1,5 kg de peso com 17 servomotores e 1,7kg com 22.

Figura 32 - Kondo e suas dimenses.(http://www.robotshop.com/world/content/PDF/kondo-khr-3hv-dimension.pdf acessado 01/05/11)3.12. Descrio das Equipes Finalistas da RoboCUP 2011

A Tabela A, Anexo I, apresenta as especificaes de todos os robs das equipes que participaram da etapa mundial da RoboCup 2011. Nesta competio estaro as 20 melhores equipes do mundo. Estes dados foram retirados do prprio site da RoboCup (http://www.tzi.de/humanoid/bin/view/Website/Teams2011 acessado em 13/07/2011).

CAPTULO 4 - FUNDAMENTOS DA LOCOMOO

Neste captulo sero apresentados os conceitos necessrios para a movimentao do rob humanide.

4.1. Terminologia da Locomoo

Um sistema de locomoo bpede (humanide) composto de vrios membros interligados por articulaes atuadas, com o objetivo de promover a locomoo com equilbrio ou quando parado. O estudo de robs bpedes tem como modelo o mais verstil bpede existente, o prprio homem. Mesmo aps vrias anlises deste complexo sistema, o grande problema est no mtodo de locomoo. (TORRES et al., 2006)Ao longo da evoluo da espcie humana, o problema de locomoo bpede foi resolvido de forma eficiente pela natureza, considerando mobilidade, versatilidade a um sistema inerentemente instvel. O uso das pernas permite a sobreposio de obstculos, garantindo fora, estabilidade e agilidade. Por isso o campo de estudos de humanides complexo (TORRES et al., 2006).A complexidade dos fenmenos cinemticos e dinmicos torna a anlise dos sistemas de locomoo difceis. A dinmica linear e multi-varivel, as mudanas que ocorrem durante as diferentes fases do ciclo de locomoo e a natureza instvel da dinmica so problemas caractersticos do sistema de locomoo bpede. A questo principal deste tipo de rob est na interao entre o p e o solo, que pode ser considerada como unilateral e no atuada, sendo importante na estabilidade dinmica do sistema (CARDOSO et al., 2006).A grande dificuldade que envolve a construo de um rob humanide justamente a sua locomoo, tornando o deslocamento deste um grande desafio. A preocupao principal gira em torno da falta de estabilidade, portanto isto se torna um pr-requisito para o desenvolvimento do humanide. Existem dois tipos de construo de acordo com a locomoo. A primeira se trata de um rob puramente esttico, e a segunda de um rob dinmico. A diferena principal destas duas categorias est na estabilidade. O rob esttico possui seu centro de massa no interior do permetro do p de apoio mantendo o equilbrio. J o rob dinmico pode possuir seu centro de massa fora do permetro do p de apoio, dependendo do movimento (NOGUEIRA et al., 2005).O nmero elevado de graus de liberdade presentes em um rob humanide resulta em um nmero grande de equaes acopladas e no lineares, o que dificulta a implementao das tcnicas de caminhada. Por esses motivos, utiliza-se um modelo simplificado que representa o problema bsico da locomoo bpede, porm simples o bastante para facilitar a manipulao terica do controle e o estudo da caminhada bpede, Fig. 34.Para o estudo da locomoo bpede faz-se necessrio a diviso do corpo humano em planos. Primeiramente observa-se que no plano sagital encontra-se a essncia do movimento da caminhada para frente. No plano frontal, observa-se principalmente a estabilidade e a troca de perna de apoio. O plano transversal usado para ilustrar a navegao do rob no ambiente. Por isso interessante para o estudo inicial do problema da locomoo bpede utilizar do plano sagital (SURLA et al., 1990).

Figura 33 - Terminologia da locomoo bpede (SURLA et al., 1990).Desta forma pode-se utilizar um modelo plano que mais simples que um modelo tridimensional, pois cada articulao descrita por trs coordenadas, e no seis como em um modelo tridimensional. O nmero necessrio de graus de liberdade tambm menor, j que para os existentes no equilbrio lateral no so usados (ZONFRILL, 2004). O modelo simplificado apresentado na Fig.34.

Figura 34 - Modelo bpede com 7 GDL (ZONFRILL, 2004).

A parte superior do corpo pode ser reduzida a uma nica parte, para as simulaes iniciais sem levar em considerao a cabea e membros superiores.O passo humano um processo muito complexo em termos de movimentos que o compem, as foras que produz e o controle neural requerido. O passo humano pode ser definido como sendo o tempo entre os contatos da parte posterior do calcanhar direito, Fig. 35. Cada ciclo do caminhar inclui dois perodos de apoio simples e dois perodos de duplo apoio. A perna em contato com o solo chamada de perna suporte e a que no est em contato com o solo chamada perna em balano (SILVA, 2001).

Figura 35 - Esquema do caminhar (SILVA, 2001).

O caminhar decorrente dos deslocamentos angulares das juntas do corpo humano. Conhecer a angulao necessria para movimentar cada junta um fator para tentar implementar o caminhar no rob humanide.Nas Figuras 36 a 38 esto indicados os grficos das variaes angulares em funo da durao do ciclo, Fig. 35, referentes ao caminhar de uma pessoa, para o tornozelo, joelho e quadril.

Figura 36 - Angulao realizada pelo tornozelo durante o caminhar (BARELA, 2005).

Figura 37 - Angulao realizada pelo joelho durante o caminhar (BARELA, 2005).

Figura 38 - Angulao realizada pelo quadril durante o caminhar (BARELA, 2005).

Das Figuras 36 38 o incio do ciclo possui o tornozelo fixo e com uma angulao de 0, enquanto que o joelho est flexionado 10 e o quadril 30.Com a seqncia do movimento analisando a angulao presente nas Figs. 36 38, possvel calcular as angulaes mnimas e mximas, alm da amplitude do movimento de cada junta.

CAPTULO 5 MODELAGEM DO ROB HUMANIDE

Neste captulo ser apresentado o modelo geomtrico direto do rob humanide EDROM.

5.1. Modelagem Matemtica Utilizando Coordenadas Eqipolentes.

Nesta parte do trabalho ser apresentado o modelo geomtrico direto (MGD) do rob humanide EDROM que permitir relacionar a configurao, por exemplo, da ponta do p em funo das coordenadas articulares. A configurao do p do rob humanide corresponde obteno de sua posio e orientao.Para obteno do MGD sero utilizadas as matrizes de transformao homogneas (TSAI, 1999).Em robtica, um corpo possui movimento em relao ao seu antecessor, sendo comum escrever a matriz de transformao do referencial i ao referencial i+1.Para cada eixo cartesiano existe uma matriz de rotao, que permite relacionar a orientao do sistema de referncia aps uma rotao. Para o eixo x, considerando somente uma rotao em torno do eixo xi, tem-se:

= (8)

Denotando os termos da Eq. (8) por: (9)

; (10)

(11)

Pode-se escrever a Eq. (8) como:; (12)

Sendo a matriz de passagem clssica do referencial ao referencial por meio de uma rotao em torno do eixo .Neste caso, qualquer ponto ter a mesma coordenada tanto no eixo Xi como no eixo Xi+1. Assim, pode-se representar o ponto no plano y-z conforme a Fig. 39.

Figura 39Sistemas de referncia rotacionado em torno do eixo .Da mesma forma, considerando somente uma rotao em torno do eixo , tem-se:; (13)

Se a rotao for realizada somente em torno do eixo , tem-se: (14)

Para obter a modelagem geomtrica necessrio definir referenciais ao longo da estrutura de forma que permitam descrever a configurao da estrutura, ou seja, sua geometria.

Para o estudo do rob humanide necessrio escrever a matriz de rotao entre os diversos referenciais, sendo conveniente adotar uma notao para identificar quais referenciais esto sendo relacionados.Neste trabalho ser utilizada a seguinte notao: (15)

Sendo a matriz de rotao do referencial 1 ao referencial 2.De uma forma generalizada tem-se: (16)

Assim, pode-se relacionar a orientao de um referencial n em relao ao referencial inercial X0 como: (17)

Sendo , a matriz de rotao entre o referencial e o referencial , ou seja, define a orientao do referencial em relao ao referencial .Esses passos descritos acima abrangem apenas situaes que envolvem rotaes. Caso algum referencial sofra uma translao entre suas origens, pode-se acrescent-la na matriz de rotao e esta passa a denominada como matriz de transformao homognea, que agrupa a orientao e a posio de uma referencial em relao a outro referencial em uma s matriz.A forma geral dessa matriz : (18)

Onde Rij a matriz de rotao e Pj um vetor que contm a posio.A obteno do MGD do rob humanide realizado utilizando-se de coordenadas eqipolentes. Neste procedimento primeiramente necessrio representar o rob na configurao inicial (repouso). Aps so fixos referenciais no centro de cada articulao i. Coloca-se tambm um referencial n+1 no ponto de interesse, no caso do rob humanide na extremidade do p.Os eixos devem ser paralelos entre si, de onde vem o nome de coordenadas eqipolentes. A partir da definio dos referenciais o modelo geomtrico direto pode ser obtido utilizando-se da matriz de transformao homognea .

5.2. Modelo Geomtrico Direto do Rob Humanide EDROM.

O rob composto por 18 graus de liberdade distribudos ao longo do corpo, da seguinte maneira, cinco em cada perna, trs em casa brao e dois na cabea. A Fig. 40 ilustra um esquema simplificado do rob em repouso. Neste trabalho o MGD obtido considerando as pernas como duas estruturas seriais independentes, com a origem do sistema de coordenadas situada no meio da linha comum dos eixos dos servomotores do quadril, Fig. 40.

Figura 40 - Posicionamento dos servomotores e definio da origem dos sistemas de referencia.

Para cada perna, a partir do referencial inercial X0Y0Z0, foram obtidas as matrizes de transformao homogneas.

5.2.1. Perna esquerdaAs Equaes de 19 a 25 permitem obter o MGD da perna esquerda em funo da Fig. 40 e das Eqs. (9) (19).(19)

(20)

(21)

;(22)

;(23)

(24)

O resultado obtido ser o produto das matrizes, na seqncia, como:

(25)

5.2.2. Perna direita:Da mesma forma as Eqs. de (26) a (32) permitem obter o MGD da perna direita em funo da Fig. 40 e das Eqs. (8) (18).(26)

(27)

;(28)

;(29)

(30)

(31)

O resultado obtido ser o produto das matrizes como:(32)

As Equaes (25) e (32) permitem obter a configurao dos ps esquerdo e direito a partir de um referencial fixo no corpo do rob.Estas equaes foram utilizadas no prximo captulo para realizar a simulao do passo no MatLab.

CAPTULO 6 ROB HUMANIDE EDROM

Os materiais utilizados para confeco do rob humanide sero descritos neste Captulo assim como a montagem, visando sempre elaborar um projeto econmico com os recursos disponveis na EDROM e no Laboratrio de Automao e Robtica (LAR) da FEMEC/UFU. Ser apresentado o rob humanide desenvolvido em um software de modelagem e simulao parametrizado. Sero descritas as simulaes do ciclo de movimento do rob humanide conforme apresentado nos Captulos 4 e 5. Finalmente, os elementos constituintes do rob humanide EDROM: servomotores, sensores, parte mecnica e controladores sero apresentados.

6.1. Descrio dos Recursos Utilizados

Para a confeco do rob foram utilizados, kits educacionais da LEGO e Tetrix, e materiais de construo mecnica diversos. A descrio do rob humanide EDROM ser dividida em: parte mecnica; servomotores e sistema de controle (incluindo alimentao-bateria); sensores (acelermetro e giroscpio) e cmera.

6.2. Projeto Mecnico

A parte mecnica do rob humanide foi construda a partir da utilizao dos perfis de alumnio de diferentes dimenses do kit Tetrix, alm de componentes como parafusos, porcas e buchas e de peas de acrlico usinadas e de perfis de alumnio, Figs. 41.

Figura 41 - Componentes do kit educacional Lego Tetrix Robotics.

Para o projeto do rob humanide foi utilizado os softwares SolidWorks e AutoCAD.Os parmetros utilizados para o projeto mecnico obedecem regra apresentada no Captulo 2. As regras da RoboCup, determinam em funo da altura total do rob o tamanho de cada parte do corpo, sendo assim, foi construda a Tab. 6, com diferentes alturas relacionadas com as dimenses das outras partes do corpo.

Tabela 6 - Tabela dos parmetros definidos pela regra da competio.DIMENSOTAMANHO ROB [CM]

30405060

REA DO P (cm)32,1457,1489,29128,57

DIMETRO DO ROB COM OS BRAOS FECHADOS (cm)16,52227,533

LARGURA COM OS BRAOS ABERTOS (cm)36486072

H PERNA MIN (cm)10,51417,521

H PERNA MAX (cm)21283542

H CABEA MIN (cm)1,522,53

H CABEA MAX (cm)7,51012,515

A partir da Tabela 6 foi possvel dimensionar e adaptar as partes do rob para se adequarem s regras com base em um rob humanide com 60 cm de altura.A pesquisa realizada no Captulo 3 sobre os robs humanides utilizados em competies mostrou que a quantidade de graus de liberdade mais utilizadas nos robs para a competio varia entre 18 e 22.Conforme Figura 40 o rob humanide EDROM possui 18 graus de liberdade (gdl), distribudos nos membros inferiores (5 gdl por membro inferior); 3 gdl para cada membro superior e 2 gdl na cabea.A Figura 42 mostra o rob montado no SolidWorks, sem o projeto da cabea. O projeto da cabea no foi finalizado pelo atraso da entrega da cmera que ser utilizada, e pela ausncia das suas dimenses exatas.

(a) (b)

(c)Figura 42 - Montagem feita no SolidWorks. (a) Vista frontal; (b) Vista traseira; (c) Vista em perspectiva.As Figura 43, 44 e 45, mostram a primeira verso do rob humanide EDROM montado.

Figura 43 - Rob montado seguindo o projetado no software (Fig. 43) vista frontal.

Figura 44 - Vista de topo do rob.

Figura 45 - Vista traseira do rob.

6.3. Controle do Humanide Via NXT

A Figura 46 mostra os elementos do sistema de controle.

Figura 46 (3,5) Servomotores, (6) Controlador de servomotores, (2) CLP, (4) Bateria; (7) Giroscpio e (1) Acelermetro.

O controlador NXT, apresentado na Fig. 46 (item 2), conhecido como Smart Brick", e o controlador principal do rob, dotado de quatro entradas e trs sadas, que so capazes de manipular quatro sensores e at trs servo-motores. O NXT um Controlador Lgico Programvel (CLP). Este possui uma arquitetura simples composta por um microprocessador ARM7 de 32 bits e 256kb de memria, uma tela LCD e um autofalante.Neste projeto do rob humanide EDROM so utilizadas as quatro portas de entrada do NXT para conexo dos controladores dos servomotores (trs controladores ligados a uma porta), conexo da cmera (modelo NXTCam), sensor giroscpio e acelermetro.Para o projeto do robo humanide EDROM, com exceo da cabea, foram utilizados os servomotores da marca Hitec HS-485HB, Fig. 47(a). A Tabela 7 apresenta suas especificaes. Para a cabea, foram utilizados servos HEXTRONIC HXT900, Fig. 47(b), Tab. 7.

(a) (b)Figura 47 - Servomotores utilizados: Hitec HS-485HB; (b) HEXTRONIC HXT900.Tabela 7 - Especificaes dos servomotor HS-485HB e HEXTRONIK - HXT900 (http://www.servocity.com/html/hs-485hb_servo.html acessado em 12/07/2011), (http://www.servodatabase.com/servo/hextronik/hxt900 acessado em 13/07/2011)

Os servomotores so operados via controlador Hitechnic que permitem a multiplexao do sinal de velocidade e posio para at 24 servomotores (com o uso de quatro controladores, seis em cada um), utilizando apenas uma entrada do CLP NXT (controlador principal). Este controlador permite tambm o controle de motores DC. A conexo dos controladores ao CLP NXT mostrada na Fig. 48.Para o rob humanide EDROM foram utilizados 3 controladores Hitechnic e um CLP NXT.

Figura 48 - Modelo da ligao dos controladores NXT.

A conexo da bateria mostrada na Fig. 49.

Figura 49 - Modelo da montagem dos controladores, bateria e servomotores.

Na Figura 49 a bateria ligada a um controlador (numero 2), que com uma ligao em pararelo liga-se ao prximo (no mximo quatro controladores). Um controlador ligado ao CLP enquanto o outro ligado no primeiro controlador e os servomotores so ligados aos controladores.A programao feita atravs do compilador Bricx, e a linguagem utilizada a NXC (Not Exactly C). Os comandos utilizados para o controle dos servomotores esto no Anexo III.Deve-se destacar que o servomotor quando ligado inicia-se na posio 0 (zero), e pode variar deste valor at a posio 255 que equivale a 180. Sua resoluo de 0,7. Este servomotor pode operar quando lhe enviado um sinal de pulso que varia de 600 sec para 2400 sec, para o projeto foi necessrio posicion-lo na posio 127, ou seja 90, a fim de se obter melhores condies tanto na programao quanto na prpria locomoo. A Figura 50 d uma idia de como o servo se comporta a um dado valor entre 0 e 255.

Figura 50 Servomotor.

6.4. Sensores

6.4.1. AcelermetroPara o projeto do robo humanide foi utilizado um acelermetro que utilizado para medir a variao da inclinao sofrida pelo rob. Caso o rob esteja se inclinando para uma posio no desejada, ele enviar um sinal ao CLP que por sua vez acionar um ou mais servomotores para que estes corrijam o posicionamento.O acelermetro utilizado foi o NXT Acceleration / Tilt Sensor (NAC1040), Fig. 51 (a),que capaz de realizar medidas nos trs eixos (X, Y e Z). Este faz medidas da acelerao com uma mdia no intervalo de -2g a 2g, onde g representa a acelerao gravitacional.

(a) (b)Figura 51 Acelermetro. (http://www.hitechnic.com/cgi-bin/commerce.cgi?preadd=action&key=NAC1040 acessado em 14/07/2011)

A medio de acelerao medida a uma taxa de aproximadamente 100 vezes por segundo.A figura 51 (b) mostra como esto dispostos os eixos X, Y e Z.No anexo IV apresentado um exemplo do cdigo utilizando-se o acelermetro.

6.4.2. Giroscpio

O giroscpio serve para medir a variao da rotao realizada, medindo essa grandeza possvel orientar melhor o rob humanide.O giroscpio utilizado foi o NXT Gyro Sensor (NGY1044), Fig 52 (a). Ele utilizado para detectar a rotao, retornando um valor que representa a taxa de variao em graus da rotao por segundo. Ele pode medir +/- 360 de rotao por segundo. Essa medio atualiza a uma velocidade de 300 vezes por segundo.

(a) (b)Figura 52 Giroscpio (http://www.hitechnic.com/cgi-bin/commerce.cgi?preadd=action&key=NGY1044 acessado em 14/07/2011)

O posicionamento feito na horizontal, para medir a rotao do corpo do rob, conforme Fig. 52 (b).No anexo V apresentado um exemplo do cdigo utilizando-se o giroscpio

6.4.3. NXTCam

A NXTCam, Fig. 53, ser utilizada no rob humanide EDROM. Como o projeto utiliza o controlador CLP NXT esta a nica cmera disponvel para utilizao. Esta uma cmera que processa imagens em tempo real. Ela possui um processador on board com um protocolo de interface que responsvel por um subsistema de viso. Essa interface proporciona um alto nvel de ps-processado de informao a respeito da imagem que est sendo vista pela NXTCam. A informao processada contm o conjunto de coordenadas dos objetos de interesses pr-configurados na NXTCam.

Figura 53 NXTCam. (http://www.mindsensors.com/index.php?module=pagemaster&PAGE_user_op=view_page&PAGE_id=78 acessado em 14/07/2011)

A cmera no envia imagem para o NXT, porm se ela for conectada no PC atravs do cabo USB, possvel visualizar imagens atravs do software adequado.Esta cmera possui como caractersticas: Rastreia 8 objetos de cores diferentes 30 fps. configurvel via USB no Windows XP, e no Windows Vista. Suporta duas formas de rastreamento: rastreamento de objeto (este tipo ser utilizado para o reconhecimento das formas do campo, da bola e dos adversrios), e rastreamento de linha (utilizado para seguir um caminho em forma de linha). Proporciona em tempo real, as estatsticas a respeito dos objetos rastreados: quantidade de objetos, cor dos objetos, coordenadas. Resoluo da imagem de rastreamento: 88x144 a 30 fps. Resoluo via USB no PC: 176x144. Consumo mximo: 42mA a 4.7V. Utiliza o NXT, e compatvel com o protocolo I2C.O programa utilizado para a configurao da cmera o NXTCamView. Neste possvel configurar os objetos de interesse como exibido na Fig. 54.

Figura 54 - NXTCamView: software utilizado para configurao da cmera (http://www.mindsensors.com/index.php?module=pagemaster&PAGE_user_op=view_page&PAGE_id=78 acessado em 14/07/2011)

Na imagem da Fig. 54 possvel verificar na parte superior e esquerda o campo de viso da cmera. Os objetos de interesse neste caso so a caneta azul e a vermelha. Para configurar estes objetos de interessetem-se na caixa de ferramenta central, formas de selecionar a cor do objeto que se deseja o rastreamento. Isso pode ser feito clicando-se no objeto desejado. direita, tem-se as informaes a respeito das coordenadas em que esses objetos se encontram.No modo de rastreamento de objeto, pode-se rastrear objetos compostos de at oito cores distintas. Ao selecionar as cores, deve-se evitar a sobreposio dos objetos diferentes. No modo de rastreamento de linha, apenas a cor do primeiro mapa de cores usada, e recomendado limitar o nmero de cores para um.Exemplos de comandos utilizados com a NXTCam esto apresentados no Anexo VI.

6.5. Definio do Passo do Rob Humanide EDROM

Foi realizado uma simulao no software MatLab, a partir da teoria apresentada no Captulo 5 e utilizando-se dos ngulos de movimentao das juntas fornecidos no Captulo 4. Os cdigos implementados esto apresentados nos Anexos VII (Modelo Geomtrico Direto) e VIII (Animao do Passo).A Figura 55 mostra alguns frames da seqncia de movimentao das penas do rob humanide EDROM, com as dimenses utilizadas no projeto do rob humanide EDROM e os ngulos das juntas apresentados no Captulo 4.A Figura 56 utilizada para comparar o movimento simulado da Fig. 55. Destas figuras os movimentos so semelhantes.

Figura 55 - Simulao feita no MatLab do ciclo de movimento do rob humanide EDROM.

Figura 56 - Sequncia da locomoo(INMAN, 1981).6.6. Textes Experimentais

Neste trabalho os testes experimentais foram realizados somente com os membros inferiores do rob humanide EDROM.Os testes experimentais iniciais foram realizados a partir dos ngulos das juntas fornecidos no Captulo 4 e das simulaes realizadas na Fig. 55. Quando estes foram implementados no rob humanide EDROM, notou-se uma certa dificuldade de se obter os resultados esperados para movimentao bpede, devido falta de equilbrio do rob. A utilizao do acelermetro no foi suficiente para estabilizar o sistema, que ainda se encontrava inconsistente.O fato dos testes terem ocorrido apenas com as pernas do rob, influenciou no equilbrio, visto que a pesquisa feita abrangia o movimento de um ser humano, tendo como fatores de sustentabilidade o corpo e os membros superiores, ou seja, uma pessoa consegue andar perfeitamente porque utiliza dos outros membros para obter o equilbrio.Na segunda etapa da pesquisa a obteno de novos parmetros capazes de realizar o movimento dos membros inferiores do rob humanide foi feita analisando quanto cada articulao deveria se deslocar afim de que fosse possvel a realizao do passo com o equilbrio necessrio.Deve-se destacar que as equipes participantes da RoboCup e os kits comerciais existentes utilizam uma forma de programao de aprende/repete. Inicialmente so movimentadas as articulaes do rob para uma configurao especfica e o software armazena os valores fornecidos pelos servomotores. Repete-se o procedimento para as vrias etapas do caminhar humano. Aps isto o controlador repete os valores ensinados.A sequncia de imagens presentes na Fig.57 mostra o resultado obtido em testes experimentais.

Figura 57 - Sequncia de imagens extradas de um vdeo feito em testes.

possvel notar que o rob se se desloca atravs de passos curtos e tambm projetando seu corpo para frente e lateralmente, e que ainda existe um certo desequilbrio causado pelo balano lateral, apesar disso o rob consegue caminhar de forma autnoma, sem a interveno externa. Esse modelo de caminhada foi constatado a partir da anlise de diversos videos dos robs humanides utilizados para competies envolvendo futebol, e atende s necessidades iniciais.O cdigo utilizado para esse teste encontra-se no Anexo IX, comentado e com os valores utilizados nos servomotores, tanto para que o rob fique equilibrado de p, quando para o procedimento do caminhar.Como o zero dos servomotores no correspondiam ao zero do projeto mecanico, foi necessrio set-los com uma angulao de aproximadamente 90, o que corresponde ao valor de 127, que metade da rotao mxima possvelA tabela 8 mostra a sequncia utilizada para definir o passo do rob humanide EDROM apresentado no Anexo IX.Tabela 8 - Posicionamento dos membros inferiores em graus durante a passada.Orientao ()

ArticulaoLevantando a perna esquerdaApoiando a perna esquerdaLevantando a perna direitaApoiando a perna direitaParado em p

P direito210000

Tornozelo direito5-10-5-50

Joelho direito0060300

Quadril direito010-60-300

P esquerdo170-1800

Tornozelo esquerdo000200

Joelho esquerdo-45-30000

Quadril esquerdo45300-200

O rob retorna para a posio de repouso quando todos os valores so iguais a zero.

CAPTULO 7 - CONCLUSES

Aps ser feito todo o estudo detalhado das competies e suas regras, buscou-se na histria das competies de futebol envolvendo robs humanodes detalhes das equipes e do funcionamento de seus robs. Este estudo possibilitou o incio do projeto do rob humanide EDROM. A utilizao de kits educacionais como a Lego Mindstorm e Tetrix, teve papel fundamental no projeto do rob, porm com isso criou-se um empecilho, pois no havia na referncia um rob humanide sequer construdo com esses materiais para utilizao em competies. Desafio aceito, o projeto iniciou-se e logo surgiram necessidades de peas diferentes. Foram utilizadas ento de placas de acrlico para a fabricao destas peas e perfis de alumnio para se obter a fixao dos servomotores.O modelo do rob humanide EDROM possui dezoito graus de liberdade correspondentes aos servomotores. Estes foram conectados a trs controladores, alimentados inicialmente por uma bateria de 12V e 3000 mAh. O controle principal do rob humanide realizado por um controlador lgico programvel (CLP) que comanda todos os servocontroladores e sensores presentes no rob.Devido complexidade da confeco de um rob humanide, os testes experimentais foram realizados somente com os membros inferiores do rob humanide EDROM, atingindo o objetivo que era fazer o rob andar de forma autnoma, sem interveno externa.Com o projeto realizado possvel concluir que reproduzir o caminhar humano requer conhecimento no somente dos membros inferiores do corpo humano, mas tambm do balano causado pelo corpo e movimento dos braos. Finalmente constata-se que com os conhecimentos adquiridos durante o curso de Engenharia Mecatrnica, possvel criar robs humanides dispondo de poucos recursos, inicialmente para competies de robtica e futuramente para exposies em feiras, o que daria visibilidade a Universidade/EDROM, uma vez que se trata de um assunto de interesse geral.

TRABALHOS FUTUROS

As etapas seguintes so:

- Otimizao da massa do rob humanide EDROM;- Testes experimentais com o rob humanide EDROM completo;- Caminhar em linha reta;- Cair e levantar;- Realizar curvas;- Identificao da bola;- Chutar a bola.- Comunicao com outros robs.

CAPTULO 8 - BIBLIOGRAFIA

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