PT106205B - Plataforma com detecção de rotação passiva nos 3 eixos em tempo real - Google Patents

Abstract

A INVENÇÃO ESTÁ RELACIONADA COM UMA PLATAFORMA BASEADA NUMA JUNTA ESFÉRICA QUE PODE SER RODADA DE FORMA INDEPENDENTE NAS DIRECÇÕES GUINADA, ROLAR E PASSO, REGISTANDO A INFORMAÇÃO DE ROTAÇÃO EM TEMPO REAL. A PLATAFORMA É COMPREENDIDA POR UM PLANO (2) LIGADO A UM SUPORTE (8) ATRAVÉS DE UMA JUNTA ESFÉRICA (BARRA (3), ESFERA (4), ENCAIXE (6), BASE DE SUPORTE (7)) COM COMPONENTES ADEQUADOS (POR EXEMPLO, QUATRO RANHURAS (5) NA RANHURA DE LIGAÇÃO). A INVENÇÃO TEM APLICAÇÕES POSSÍVEIS NA ÁREA DA ROBÓTICA INDUSTRIAL, EM PARTICULAR PARA APLICAÇÕES DE INTERACÇÃO HUMANO-ROBÔ ONDE O HUMANO FAZ PARTE DO CICLO DE CONTROLO, PERMITINDO TANTO O CONTROLO DE ROBÔS REAIS COMO SIMULADOS POR OPERADORES. OUTRA APLICAÇÃO É NO CAMPO DOS TERRAMOTOS PODENDO SERVIR PARA AVALIAR O DESEMPENHO DE ESTRUTURAS EM CASO DE TERRAMOTO OU AINDA PERMITINDO NOVOS DESENVOLVIMENTOS NAS ÁREAS DO ENTRETENIMENTO OU DA REABILITAÇÃO.

Description

DESCRIÇÃO

PLATAFORMA COM DETECÇÃO DE ROTAÇÃO PASSIVA

NOS 3 EIXOS EM TEMPO REAL

Área técnica da invenção

Esta invenção está relacionada com uma plataforma rotativa tridimensional passiva, nomeadamente rodada em guinada, rolar e passo independentemente, com uma posição controlada por um sensor magnético.

Sumário

Uma plataforma rotativa tridimensional passiva e o seu simulador foram desenvolvidos no âmbito desta invenção. A plataforma é compreendida por um plano (2) ligado a um suporte (8) através de uma junta esférica (barra (3), esfera (4), encaixe (6), base de suporte (7)) . Com componentes adequados (por exemplo, quatro ranhuras (5) na ranhura de liqação), a plataforma pode ser rodada nas três orientações: guinada, rolar e passo independentemente. Um sensor magnético (1) está montado na plataforma para determinar a posição e orientação da plataforma rotativa. Este desenho evita a utilização excessiva de componentes mecânicos e eléctricos complexos, normalmente utilizados em plataformas rotativas equivalentes com 3 Graus de Liberdade. A informação de rotação da plataforma é gravada através de um sistema de seguimento por sensor magnético (10) e enviada para um computador (12) em tempo real. A informação de rotação da plataforma real pode ser classificada em função da rotação de guinada, rolar e passo. Esta informação pode ser gravada em ficheiros de dados ou utilizada pelo controlador de posição (15) para controlar a plataforma de rotação simulada (16).

A invenção pode ser rodada manualmente nos 3 eixos independentemente e, gravar automaticamente a trajectória arbitrária em tempo real. Combinada com o simulador, pode ser realizada a sincronização de experiências reais e virtuais.

As principais características da invenção são:

(a) Comparada com outras soluções, a invenção evita a utilização de sistemas mecânicos complexos para obter movimentos nos três eixos.

ponto fulcral do seu desenho está baseado numa junta esférica colocada debaixo do plano horizontal.

(b) Com a ajuda de múltiplas ranhuras na junta de encaixe, este dispositivo permite a realização de movimentos rotativos passivos independentes em cada um dos eixos.

(c) 0 sensor magnético (1) permite a gravação e envio da trajectória rotacional da plataforma para um computador (12) em tempo real.

(d) Em função da aplicação desejada, o sistema pode ser adaptado para cargas pequenas (carga < 1 Kg), cargas médias (1 Kg < carga < 5 Kg) e carga pesada (carga > 5 Kg) .

(e) A rotação da plataforma real e do simulador é sincronizada em tempo real.

(f) Possibilita a realização de testes e análises de movimentos realistas em ambiente de simulação evitando a utilização de robôs reais em situações onde testes com dispositivos reais são demasiado caros ou perigosos.

Como exemplo, o sensor de orientação magnético usado é o Wintracker. 0 transmissor do sensor magnético envia informação de orientação. 0 alcance do transmissor é de 0,075 m e a precisão estática do dispositivo é de 0,0015 m RMS (Root Mean Square) para os eixos X,Y ou Z e 0.3° RMS para a guinada, rolar e passo. A resolução é de 0,0001 m e 0,01°. Quando a plataforma é rodada, a taxa de refrescamento do sensor é de 90 amostras/segundo entre o transmissor e o receptor onde é gravado e enviado para o computador (12).

Esta invenção foi desenvolvida como plataforma que permite resolver os seguintes problemas:

1. Permite rotação passiva e livre na direcção de guinada, rolar e passo;

2. O movimento de rotação pode ser lido e gravado em tempo real ;

3. A plataforma suporta a colocação de objetos experimentais com diferentes pesos;

4. A plataforma permite a interação direta de um operador humano para controlar o movimento da plataforma (human-inthe-loop interaction); e

5. Os três eixos de rotação passam pelo mesmo ponto.

Uma plataforma rotativa tridimensional e um simulador foram desenvolvidos no âmbito desta invenção.

plataforma é compreendida por um plano (2) ligado um através de uma junta esférica (barra encaixe

Com componentes adequados (por exemplo, quatro ranhuras ranhura de plataforma pode ser rodada nas três orientações: quinada, rolar e passo independentemente. Um sensor magnético (1) está montado na plataforma para determinar a posição e orientação da plataforma rotativa. Este desenho evita a utilização excessiva de componentes mecânicos e eléctricos complexos, normalmente utilizados em plataformas rotativas equivalentes com 3 Graus de Liberdade. A informação de rotação da plataforma é gravada através de um sistema de seguimento por sensor magnético (10) e enviada para um computador (12) em tempo real. A informação de rotação da plataforma real pode ser classificada em função da rotação de guinada, rolar e passo. Esta informação pode ser gravada em ficheiros ou utilizada pelo controlador de posição (15) para controlar a plataforma de rotação simulada (16).

Usando este dispositivo, guinada, rolar e passo podem ser controladas manualmente (em conjunto ou de forma independente dependendo do número de ranhuras de junta esférica disponíveis na plataforma). Adicionalmente, a trajectória da plataforma pode ser automaticamente gravada em tempo real. Um simulador que reproduz este dispositivo foi também desenvolvido. O dispositivo e o simulador podem funcionar de forma síncrona, onde um humano está a controlar a trajectória no dispositivo real e o simulador está a repetir o movimento da plataforma num ambiente virtual. Os dados gravados podem também ser aplicados directamente no simulador para desenvolver análises e testes em ambiente de simulador.

Sistemas de controlo robótico que permitem a intervenção humana são um tópico importante de investigação na área de interação homem-robô dado que é difícil modelar e reproduzir o movimento humano, tornando importante a possibilidade de sincronizar sistemas reais com simuladores

Este sistema é portanto inovador e tem potencial nas áreas de robótica industrial e outros campos, não existindo atualmente nenhuma patente para um sistema equivalente.

Antecedentes da Invenção

Com o desenvolvimento da Ciência e Tecnologia, robôs humanoides tem sido desenvolvidos e estudados em várias universidade e institutos de investigação. Esses estudos não se limitam ao desenho da componente mecânica e eletrónica, mas também ao controlo do movimento e a aprendizagem [1]. 0 desenho de algoritmos de controlo estáveis de movimento para robôs bipedes é uma das tarefas de investigação mais difíceis de realizar nestas áreas [2]. Uma das tarefas ligadas ao desenho de robôs bípedes (por exemplo, humanoides) é avaliar a sua capacidade de manter o equilíbrio em ambientes dinâmicos [3,4]. Para realizar esta tarefa, a possibilidade de um operador controlar livremente uma plataforma para simular um ambiente dinâmico é uma mais-valia. Existem exemplos onde são testados o equilíbrio de uma perna robótica controlada por um algoritmo baseado no Centro de Pressão (COP) enquanto um operador movimenta continuamente (nas três dimensões) uma plataforma por baixo da mesma. A presença de um operador permite simular um ambiente dinâmico não controlado. 0 objetivo é desenvolver algoritmos de controlo que providenciem robustez utilizando a informação de quatro sensores de pressão localizados na base da perna do robô (i.e. a parte da perna que tem contacto com a superfície, habitualmente um pé robótico). 0 equilíbrio é mantido especificando o Centro de Pressão desejado (COP) e utilizando os sensores de força para avaliar a posição do COP. 0 sistema de controlo ajusta os atuadores relacionando as velocidades nas juntas ao erro entre a posição atual e a desejada do COP nas direcções X e

Ύ, e entre a posição atual e a desejada da anca na direcção Z [5] .

Em paralelo com o desenvolvimento do sistema mecânico da segunda geração de um robô humanóide na UA (Universidade de Aveiro) [3], foi desenvolvido um modelo de uma perna usando o simulador YARP, como mostrado na Fig. 4. A experiência de controlo de movimento baseada COP é levada a cabo num modelo de simulação de perna.

Para além das melhorias que a simulação pode trazer ao desempenho do robô humanóide, desenhar o dispositivo de estímulo realista para controlar o controlo do movimento da perna do robô também é um desafio. Como dispositivo de estímulo, pode ser gerada e gravada uma trajectória independente de eixos guinada, rolar e passo. 0 dispositivo de estímulo é uma plataforma rodada por um investigador para verificar os métodos de controlo da perna COP. É o dispositivo de interface gue realiza a experiência de robô com um operador. 0 movimento humano é difícil, se não impossível, de imitar. Durante múltiplas experiências, é essencial gue exista um mecanismo para gravar a trajectória da plataforma (i.e. orientação do plano como operador humano gue movimenta a plataforma). A capacidade de gravação ajuda na execução de alterações no ambiente e nas alterações efectuadas nos parâmetros de configuração do robô (em manter o eguilíbrio) .

No contexto desta aplicação, a plataforma é simplesmente um plano, habitualmente suportado por plataformas estáveis gue suportam movimentos de rotação. Muitas das plataformas de suporte existentes com capacidade de rotação são desenhadas para a base de uma camara. Esses suportes são tipicamente de dois tipos: manuais ou motorizados.

Suportes manuais não permitem registar o movimento e nos modelos motorizados, o registo do movimento não é possível quando o sistema é manualmente rodado. Existem algumas exceções nomeadamente dispositivos de entrada com 3 graus de liberdade. 0 dispositivo háptico Phantom permite a gravação de trajetórias em tempo real mas não está desenhado para permitir a colocação de uma plataforma. Por outro lado nestes dispositivos os 3 eixos de rotação não se cruzam no mesmo ponto como num sistema com uma junta esférica pelo que o movimento permitido tem características diferentes. 0 manipulador da série 9000 da APEM também permite o registo da orientação utilizando sensores indutivos sem contacto. Este manipulador oferece autocentragem e funcionalidades omnidireccional. Dado que o manipulador é totalmente interno, e os seus sinais de espelho inversos estão disponíveis como variáveis externos onde a função de monitor é incorporada entre o circuito do controlador. Se anexarmos uma plataforma no topo do manipulador, a carga e a plataforma irão quebrar o circuito sensorial. Contudo dado o desenho do sistema, o mesmo não é adequado para suportar cargas acima de 0,5kg.

Estes dispositivos não são portanto adequados para a aplicação no controlo de robôs com interação direta do operador ou outras tarefas similares.

Idealmente, uma plataforma adequada para responder as necessidades aqui delineadas deveria ter em atenção os seguintes requisitos:

1. A plataforma deverá ser capaz de desempenhar rotações passíveis e aleatórias na direcção da guinada, rolar e passo;

2. 0 movimento rotacional deve ser lido e gravado em tempo real ;

3. A plataforma deve suportar um plano onde colocar o equipamento a testar;

4. A plataforma deve permitir o controlo do movimento por um operador humano (human-in-the-loop interaction); e

5. Os eixos de rotação da guinada, rolar e passo devem cruzar-se todos num único ponto.

A plataforma aqui apresentada foi desenhada para responder a estas questões. É composta por um tripé com uma junta rotacional esférica e um plano montado sobre a mesma permitindo rotações independentes nos 3 eixos. Com uma ranhura especifica na junta esférica passiva, a plataforma passiva pode realizar movimentos independentes de guinada, rolar e passo. 0 sistema de seguimento de realidade virtual 3D (tridimensional) é seleccionada de entre os vários sistemas de seguimento de 6 graus de liberdade [6,7], e o seu sensor magnético é acoplado a uma plataforma de forma a obter a trajectória da junta esférica. 0 sistema de seguimento de realidade virtual 3D funciona com um computador que desempenha a transmissão de dados que compreende a informação de posição, altitude e orientação de um plano rotacional.

Foi ainda desenvolvido um simulador da plataforma usando o framework YARP e o simulador iCub [8-10] assim como um controlador para simular a rotação da plataforma virtual em torno dos 3 eixos.

Esta interface de intervenção humana foi desenvolvida de tal forma que quando a plataforma real é rodado por um operador, a informação do ângulo é gravada por um sistema de seguimento de realidade virtual 3D e enviada ao controlador de posição que roda a plataforma simulada. Como aplicação primária, as experiências primárias com entrada de funções co-seno e movimento da plataforma real foram desenvolvidas com vista ao controlo de pernas robóticas baseadas num controlador COP.

REFERÊNCIAS [1] K. Kawamura, S. Gordon, From Intelligent Control to Cognitive Control, ISORA 2006 llth International Symposium on Robotics and Applications (ISORA) 2006,Budapest, Hungary July24-27, 2006, pp. 1-9.

[2] S. H. Collins, M. Wisse, A. Ruina, A three-dimensional passive-dynamic walking robot with two legs and knees.

International Journal of Robotics

Research 20,

607-615,2001 [3] V. Santos,

R.

Moreira,

M. Ribeiro,

F. Silva,

Development of

Hybrid

Humanoid

Platform and

Incorporation of the

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in

Proc. 2010

IEEE International Conference on Robotics and

Biomimetics (ROBIO2010), 2010.12,

679-684 ,

Tianjin, China [4] C. Maurer, T.

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B. Bolha, F.

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Vestibular, visual, and somatosensory contributions to human control of upright stance. Neursci Let 281:99-102, 2000 [5] M. Ruas, P. M. Ferreira, F. Silva, V. Santos , LocalLevel Control of a Humanoid Robot Prototype with ForceDriven Balance, Proc. IEEE-RAS Int. Conference on Humanoid Robots HUMANOIDS2007, USA, Pittsburgh, 29 Out-1 Nov, 2007 [6] VR SPACE INC. ® Wintracker III ® USER' S MANUAL, MAR

2010 [7] Chen, E. Six Degree-of-Freedom Haptic System for Desktop Virtual Prototyping Applications. In Proceedings of the First International Workshop on Virtual Reality and Prototyping, pp. 97-106, June 1999, Lavai France.

[8] G. Metta, P. Fitzpatrick, L. Natale, YARP: Yet Another Robot Platform, International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 3, No. 1 (2006), ISSN 1729-8806, pp. 043-048 [9] V. Tikhanoff, P. Fitzpatrick, F. Nori, L. Natale G. ,Metta, A. Cangelosi, The iCub humanoid robot simulator., 2008, IROS Workshop on Robot Simulators [10] V. Tikhanoff, A. Cangelosi, P. Fitzpatrick, G. Metta, L. Natale, F. Nori, An open-source simulator for cognitive robotics research: The prototype of the iCub humanoid robot simulator, 2008, Proceedings of IEEE Workshop on

Performance Metrics for Intelligent (PerMIS08)

Descrição geral da invenção

Uma abordagem comum para avaliar movimento de um robô de pernas

Systems Workshop controladores do utilização de um dispositivo de estimulo externo:

por exemplo, um plano rodado por um utilizador.

Estes dispositivos têm as seguintes caraterísticas:

não é possível registar trajectória do plano de rotação; e

b. a realização independente de rotações segundo os três eixos é extremamente difícil.

O levantamento dos produtos e patentes (divulgados ou disponibilizados antes da data do pedido de patente) também levou à conclusão de que nenhum outro dispositivo 10 existente (de nosso conhecimento) resolve os problemas mencionados.

Um tripé	actuado manualmente não grava a sua trajetória,
enquanto	que num tripé actuado por motores é dificil
realizar	a rotação passiva durante a gravação da sua

trajetória. 0 dispositivo háptico PHANTOM e o manipulador sem contato APEM não são adequados para serem acoplados a um plano que permita apoiar um objeto, por exemplo, com 0,5 kg de carga útil.

Portanto, os dispositivos existentes não podem ser adoptados directamente como o dispositivo de estimulo para o robô de controlo de movimento de pernas (e aplicações semelhantes na indústria robótica).

A invenção atual foi projetada como uma plataforma que resolve os problemas indicados.

Uma forma de realização da invenção compreende um suporte (e.g., suporte (8), base de suporte (7)), com uma articulação esférica passiva (e.g., compreendendo uma barra

(3)	, uma	esfera	(4) , um	encaixe	(6:	) com várias	ranhuras
(5)	) , um	plano	(2) montado sobre	a	articulação	da	esfera
(4)	. Com	peças	adequadas	(e.g.,	quatro ranhuras	na	j unta

esférica), a plataforma passiva pode realizar movimentos independentes segundo os três eixos, guinada, rolar e passo. Um sensor magnético (1) é ligado ao plano (2) para obter a trajectória da junta esférica. Através da interface de entrada de dados (9), a informação da trajectória é enviada para o sistema responsável pelo seguimento do sensor magnético (10). Opcionalmente, através de uma interface USB (11), o sistema responsável pelo seguimento do sensor magnético funciona com um computador (12) para executar a transmissão de dados. Através da interface do sistema sensorial magnético (13), os dados dos sensores podem ser guardados num ficheiro ou como uma entrada para o ambiente virtual (14) em tempo real. No ambiente virtual foi desenvolvida uma plataforma rotativa simulada (16) e o seu controlador de posição (15) conjunto para os três eixos, guinada, rolar e passo. Este controlador (15) pode utilizar a informação sensorial para comandar a plataforma rotativa simulada (16) executando a mesma rotação sincronizada com a plataforma real.

A plataforma pode acoplar uma placa para suportar um objeto experimental com diferentes cargas. Quando a plataforma real é rodada manualmente, a informação angular é registada pelo sistema de seguimento magnético e enviada a um computador por USB, em tempo real. A informação de dados pode ser usada directamente como a entrada do controlador de posição (15) da plataforma simulada, permitindo que o dispositivo e o simulador possam funcionar em sincronia, em que um operador humano efectua o controlo da trajectória do dispositivo real e o simulador repete esse movimento num ambiente virtual. Os dados gravados também podem ser aplicados diretamente ao simulador para realizar análises e testes offline.

Descrição das figuras

As figuras seguintes apresentam formas de realização preferencial que servem para ilustrar a descrição da invenção e não devem ser vistos como limitando o âmbito da mesma.

Figura 1: Representação esquemática de uma primeira forma de realização preferencial do sistema mecânico da plataforma rotativa em que:

(D	representa	um sensor magnético,
(2)	representa	um plano,
(3)	representa	uma barra,
(4)	representa	uma esfera,
(5)	representa	uma ranhura ou ranhuras,
(6)	representa	um encaixe,
(7)	representa	uma base de suporte,
(8)	representa	um suporte,
(9)	representa	um cabo de interface	de entrada de dados,
(io;	l representa um sistema de	seguimento do sensor

magnético, (11) representa uma interface de dados, por exemplo, USB, (12) representa um computador, (13) representa uma interface do sistema magnético, (14) representa uma entrada de um ambiente virtual, (15) representa um controlador de posição, e (16) representa uma plataforma rotativa simulada.

Figura 2: Representação esquemática do sistema de coordenadas do Wintracker.

Figura 3: Representação esquemática da trajectória de movimento rotativo.

Figura 4: Representação esquemática do sinal de entrada da plataforma simulada.

Figura 5: Representação esquemática das partes e funções de interface.

Figura 6: Representação esquemática do fluxograma do sistema de controlo do equilíbrio do movimento da perna.

Figura 7: Representação esquemática da trajetória do COP.

Figura 8: Representação esquemática de um sinal de controlo real.

Figura 9: Representação esquemática da informação do sensor de força.

Figura 10: Representação esquemática do COP real.

Figura 11: Representação esquemática do ângulo da junta.

Descrição detalhada da invenção

Um protótipo da presente invenção foi desenvolvido para demonstrar a aplicabilidade e validade da invenção proposta no campo da robótica.

A parte mecânica do protótipo é composta de um tripé telescópico, uma articulação esférica passiva, e um plano (2) ligado à articulação esférica através de um parafuso. A ranhura (5) no encaixe (6) permite ao plano (2) rodar na direção em que ranhura (5) está presente.

Os parâmetros de uma forma de realização da plataforma rotativa são mostrados na Tabela I. Estes podem tipicamente variar de 50% - 500% a partir dos representados na tabela.

TABELA I

Parâmetros da plataforma rotativa

Dimensão do plano: H b*W b*H b (m3)	0,037*0,023*0,006
Raio da junta esférica: R b (m)	0,010
Altura do tripé telescópico: H s (m)	0,014, 0,025, 0,036

O sensor magnético (1) é fixado sobre a superfície do plano (2) . A articulação esférica passiva pode ser ligada por uma porca de parafuso, e a altura da plataforma rotativa pode ser modificada utilizando o tripé. A trajetória de rotação da plataforma é registada pelo sensor magnético (1) e enviada para o computador (12) através do sistema de seguimento de realidade virtual 3D. Baixo preço, sistema mecânico e elétrico simples, rotação livre segundo os 3 eixos, guinada, rolar e passo, e método fácil de gravar trajetória angular em tempo real, todos estes são os elementos chave do dispositivo de estimulo.

O componente principal é um sistema de seguimento de realidade virtual 3D (Wintracker por exemplo; podemos também selecionar um produdo similar). De fato, o Wintracker é um sistema de seguimento de 6 graus-deliberdade (GDL) com três sensores magnéticos. Nesta invenção, apenas a informação de rotação é adaptada para registar a trajectória segundo os eixos de guinada, rolar e passo. A informação de posição pode também ser considerada como uma função potencial para o controlo do movimento do robô.

Wintracker tem três receptores sensoriais magnéticos com clipes de montagem. 0 transmissor do sensor magnético envia informação magnética. 0 alcance do transmissor é de 0,075 m, a precisão estática é 0,0015 m RMS (valor quadrático médio) para os receptors de posição X, Y ou Z, e 0,3 deg RMS para os receptores de orientação segundo os eixos guinada, rolar e passo. A resolução é de 0,0001 m e 0,01 deg.

Nesta plataforma rotativa, um sensor magnético (1) é colocado sobre a parte superior do plano (2) . Quando a plataforma é rodada, a respectiva relação entre o transmissor e o receptor pode ser registada e enviada para o computador (12).

Os parâmetros do sistema para uma forma de realização estão listados na Tabela II. Uma vez que é um sensor magnético (1), o sinal do sistema pode ser influenciado por objectos metálicos.

Os dados registados pelo WinTracker, como mostra a Tabela III, ocupam 22 bytes. Um inteiro de dois bytes é enviado para o computador (12) pela ordem da parte menos significativa (low byte) seguida da parte mais significativa (high byte) . A saida contém as informações das coordenadas cartesianas de posição, ângulos de Euler, quatérnios, orientação, etc. Nesta pesquisa, só usamos a informação relativa aos ângulos de passo, rolar e guinada.

TABELA II

Parâmetros do sistema Wintracker

Peso: W (Kg)	4, 6
Dimensões da unidade eletrónica: L e*W e*H e (m3)	0,320*0,200*0,120
Dimensões do transmissor: L t *W t *H t (m3)	0,055*0,055*0,058
Comprimento do cabo do transmissor: L c (m)	4,500
Temperatura de operação: T (°C)	10-40
Taxa de actualização: R u (outputs/second)	90(1), 45 (2), 30 (3)
Tensão de operação: 0 v (V)	85-264

TABELA III

Especificação de dados do Wintracker

Posição (precisão em 0,0001 m)	Posição X: X (m)
Posição Y: Y (m)
Posição Z: Z (m)
Orientação (precisão em 0,01 deg)	Rolar : A (deg)
Passo: E (deg)
Guinada: R (deg)
Orientação	Qw : componente do quatérnio W*10000
Qx : componente do quatérnio X*10000
Qy : componente do quatérnio Y*10000
Qz : componente do quatérnio Z*10000

As sequências de rotação, como mostra a Fig. 2, correspondem aos 3 GDL da plataforma rotativa. De seguida explicam-se as definições de rotação no Wintracker. A

rotação azimutal significa	rodar	o eixo	Z	de	+X	para	+Y; a
rotação de passo significa	rodar	o eixo	Y	de	+X	para	— Z; e
a rotação de guinada significa	rodar o	eixo	X	de +Y	para

+ Z .

é fornecido com software

Neste protótipo, o Wintracker para captura de dados compatível com Windows. Os dados do sensor podem ser armazenados num ficheiro ou podem constituir uma entrada para outro programa em tempo real.

Como demonstração do funcionamento do sistema, a plataforma é rodada manualmente numa dada direcção, segundo os eixos

guinada, rolar e	passo e
arbitrária	para	realizar
traj ectória	das	juntas é
computador	(12) ,	enquanto
separada em	dados	de eixos

Fig. 3.

YARP (Yet Another Robot código aberto. Ele contém depois rodada numa direcção o comportamento complexo. A registada e enviada para o o sinal pode ser facilmente independentes, como mostra a

Platform) é um middleware de im conjunto de bibliotecas de software, protocolos e ferramentas para manter os módulos e os dispositivos devidamente desacolplados. Os componentes do Yarp são libYARP_OS, libYARP_sig e libYARP_dev. A arquitectura do simulador é realizada, numa forma de realização, com base num conjunto de executáveis Yarp e modelos interligados por Yarp-ports.

Na nossa invenção, o YARP é adotado como a estrutura base para construir a simulação da perna do robô com a implementação de um controlador de movimento baseado no COP. Seguindo um procedimento similar, a plataforma rotativa simulada é desenvolvida com um controlador de posição (15).

A plataforma simulada é composta de um plano (2) e um bastão fixo no chão, o qual também pode ser adicionado ao sistema simulado de robô com pernas.

A plataforma simulada pode ser controlada por três conjuntos independentes de controladores de posição (15) para realizar a rotação da guinada, rolar e passo. 0 sinal de controlo correspondente é mostrado na Fig. 4.

diagrama do sistema de controlo é mostrado na Fig. 5. A trajetória de rotação guinada, rolar e passo é adoptada pelo controlador de posição (15) sob a ajuda do software Wintracker. Com base no protocolo YARP, o controlador (15) pode ter a sua entrada e comandar a plataforma rotativa simulada.

A plataforma real tem duas potenciais aplicações na área de indústria robótica. Em primeiro lugar, ela pode ser usada como estímulo para o robô real. A outra função é estimular a plataforma rotativa simulada.

Experiência de controlo de movimento da perna com equilíbrio

Em conjunto com a plataforma rotativa, alguns ensaios foram conduzidos para validar o controlador de eguilibrio COP da perna simulada.

Numa forma de realização, o comprimento do pé é de 0,13 m e a largura do pé é 0,054 m. A altura da parte superior da perna é de 0,2 m, e a altura da parte inferior da perna é de 0,2 m, e a altura do joelho é 0,02 m. A articulação do tornozelo é uma articulação com dois graus de liberdade (2DOF) e a do joelho com um grau de liberdade (1-DOF). Quatro sensores de força são utilizados para calcular o COP. O valor da força do sensores frontais esguerdo e direito é

2,23N, e ο valor da força do sensores frontais esquerdo e direito é 0,45N.

A plataforma rotativa e o modelo da perna são módulos independentes e o funcionamento completo do sistema é mostrado na Fig. 6. Com base na informação de força, o controlador COP pode planear o movimento da perna, de modo a adaptar-se à plataforma oscilante.

Experiência em ambiente estático - 0 objetivo da experiência consiste em deixar a perna mover-se ao longo de uma trajetória de referência. 0 ponto de partida é (0,04, 0,00, 0,068), e o ponto-alvo é (-0,04, -0,01, 0,065). O ganho para articular no joelho, na lateral do tornozelo e no tornozelo é (6, 10, 6) .

O resultado experimental, verificando o desempenho do controlador COP, é mostrado na Fig. 7.

Com base nos parâmetros do controlador COP, um outro ensaio foi realizado. O objectivo do controlador é manter o COP num ponto fixo (0, 04, 0, 00, 0, 068) . Quando a plataforma é rodada, o controlador pode programar a velocidade da junta para alterar a postura da perna, mantendo o COP inalterado. Aqui usamos a função seno para gerar o sinal para uma junta. A trajectória de referência é mostrada na Fig. 8.

Com base na informação sensorial, como mostrado na Fig. 9, é possível calcular o COP real, como mostrado na Fig. 10. A diferença entre o COP real e o COP de referência é considerada como o erro do sistema e passada para o controlador de COP para modificar o sinal de controlo, como ilustrado na Fig. 11, para controlar o robô.

Experiência com entrada a partir da plataforma rotativa real - Com base no fluxograma de controlo mostrado na Fig. 5, a plataforma é lentamente girada manualmente, e a informação de trajectória é gravada em tempo real e enviada para um computador (12). A informação é directamente adoptada como entrada do controlador para controlar a posição da plataforma simulada. 0 robô simulado depende do controlador COP para alterar a sua postura de modo a permanecer estável na plataforma móvel.

É difícil obter resultados estáveis no controle do movimento do robô com perna baseado em COP com entrada da plataforma rotativa. Normalmente a perna simulada vai tremer e cair muito facilmente. Uma vez que o simulador de robô e seu controlador COP precisa de um sinal de entrada muito estável e mudando lentamente, é difícil de realizar movimento estável e lento girando manualmente a plataforma protótipo.

Calibração da posição zero para a plataforma rotativa simulada - Uma vez que a plataforma rotativa é montada no topo de uma junta esférica passiva, é difícil encontrar a sua posição zero física. Neste estudo, quando uma nova experiência é levada a cabo na plataforma real e simulada, precisamos dos dois passos seguintes para realizar a calibração da posição zero para o simulador. Em primeiro lugar, a plataforma física é fixada numa posição zero de referência e corre-se o simulador, assim, o valor de posição da plataforma real é gravado e convertido em valores de juntas da plataforma simulada.

Em segundo lugar, os valores reais das juntas da última experiência são definidos como o valor do erro de correção da posição zero para as juntas da plataforma simulada. Assim, quando rodamos a plataforma rotativa a partir da posição zero de referência, a plataforma rotativa simulada pode iniciar a sua rotação a partir da sua posição zero.

Análise do ruido do sinal - Wintracker é um sistema barato de realidade virtual 3D. 0 sistema pode ser distorcido por objetos metálicos. As experiências foram realizadas num laboratório com vários computadores e objectos metálicos. Outro fator é que o sistema mecânico é

construído com uma junta	esférica passiva	barata.	Existe
alguma	diferença	entre a	esfera (4) e cobertura	comum.
Quando	começamos	a rodar	a plataforma,	as nossa	s mãos
tremem.	Todos os	fatores	podem adicionar	algum ruido no

sistema.

Análise de estabilidade - Duas situações no movimento baseado em algoritmo de controle COP podem fazer a perna robótica perder o seu equilíbrio. Um deles é o verdadeiro COP atinge o limite do pé. 0 outro é quando o sinal de estimulo muda muito rapidamente, o erro do sistema vai além da limitação de controlador COP para manter o equilíbrio da perna.

protótipo e a experiência mostra a validação da invenção.

Cada forma de realização compreende uma definição completa da função do sistema. 0 plano (2) ligado à junta esférica (barra (3), a esfera (4), as múltiplas ranhuras (5), o encaixe (6)) pode ser rodados em guinada, rolar e passo, em conjunto ou independentemente. A informação de rotação pode ser registada pelo sistema de rastreamento magnético (10) em tempo real. O simulador pode funcionar com a plataforma real, ao mesmo tempo ou de modo independente.

Noutra forma de realização, a junta pode ser uma junta esférica (barra (3), a esfera (4), o encaixe (6)), com uma ou mais ranhuras (5) ou uma junta esférica sem ranhuras.

Noutra forma de realização, a junta adaptada para construir a plataforma rotativa pode também ser uma junta simples com um DOF (grau de liberdade) e mais do que uma junta em combinação para realizar rotações tridimensionais (em que os três eixos de rotação têm uma origem comum).

Noutra forma de realização, além das informações de guinada, rolar e passo, também podemos usar o sistema sensorial magnético para registar a informação sobre a posição (X, Y, Z).

Numa outra forma de realização, para o registo da trajectória da plataforma em tempo real, pode-se usar o sistema sensorial magnético.

Numa outra forma de realização, o simulador deve fornecer uma interface com o registo dos dados sensoriais em tempo real. O simulador também é equipado com controlador de posição (15) para fazê-lo funcionar de forma independente.

Numa outra forma de realização, dependendo da aplicação desejada, o sistema pode ser concebido para pequena carga (carga < 1 Kg), a carga média (1 Kg < carga < 5 Kg), carga pesada (carga > 5 Kg).

As formas de realização acima descritas são, obviamente, combináveis. As reivindicações que se seguem estabelecem formas de realização particulares da invenção.

Claims (7)

1. Plataforma robótica com capacidade de carga para

percepção em tempo real da sua rotação passiva 3D caracterizada por compreender: a. um plano (2 ) ; b. uma junta com 3 graus de liberdade, acoplada ao plano (2); c. um suporte (8) para apoiar o plano (2) , acoplado à

junta;

d. um sensor magnético (1), com a detecção de 3 graus de liberdade, anexado ao plano (2), e ligado a um processador de dados.

2. Plataforma de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender uma plataforma rotativa simulada (16) , sincronizada com a dita plataforma de rotação passiva 3D.

3.

Plataforma de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por compreender:

a. uma perna robótica ou simulada apoiando dita plataforma de rotação dimensional passiva

3D ou suportada pela dita plataforma de rotação dimensional passiva 3D;

b. uma ligação de dados partir do sensor magnético (1) para o controlador da referida perna.

4. Plataforma de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por a junta esférica compreende uma barra (3), uma esfera (4), e um encaixe (6), em que a barra (3) é fixa à placa; a esfera (4) está ligada à barra (3); o encaixe (6) está ligado ao suporte (8); e a esfera (4) e encaixe (6) são acoplados para cooperar com três graus de liberdade.

5. Plataforma de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3, caracterizada por a junta esférica compreender três juntas com um grau de liberdade associado a cooperar com três graus de liberdade.

6. Plataforma de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por o sensor magnético (1) apresentar a detecção da informação de posição - X, Y, Z.

7. Método de funcionamento de uma plataforma robótica de suporte de carga conforme descrita nas reivindicações anteriores caracterizada por compreender os passos de:

a. gravação dos três ângulos de rotação da plataforma com um sensor magnético (1);

b. comunicar os ângulos para un procesador de dados.