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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Métodos algébricos aplicados ao estudo do movimento de robôs humanoides
Alternate title (s): Algebraic methods applied to study the movement of humanoid robots
Author: Marques, Vinícius Abrão da Silva
First Advisor: Carvalho, João Carlos Mendes
First coorientator: Husty, Manfred
First member of the Committee: Coelho, Tarcisio Antônio Hess
Second member of the Committee: Martins, Daniel
Third member of the Committee: Sanches, Leonardo
Fourth member of the Committee: Lépore Neto, Francisco Paulo
Summary: Robôs humanoides são mecanismos multicorpos com aparência humana, com duas pernas, dois braços e uma cabeça. Existem diferentes aplicações nas quais robôs humanoides podem ser utilizados, como em atividades domésticas, resgate de vítimas em desastres naturais e no auxílio à reabilitação de humanos. O modelo cinemático de robôs humanoides tem sido extensivamente estudado e atualmente podem ser encontradas diferentes soluções para este problema. O interesse é obter modelos que representem o movimento dos robôs de maneira mais similar possível ao dos humanos. Porém, apesar das soluções apresentadas na literatura, os robôs humanoides continuam caminhando de maneira pouco similar à humana, mesmo em terrenos planos e sem a ação de perturbações externas. Possíveis razões para estas diferenças são as limitações do modelo cinemático inverso utilizados em seus projetos. Em geral, os movimentos são analisados em dois planos independentes, mantendo o tronco e os pés com a mesma orientação, impossibilitando a obtenção de uma solução geral para descrever a trajetória espacial do robô humanoide. São aplicados métodos convencionais de análise geométrica baseados em matrizes de transformação e expressões trigonométricas, nas quais as orientações dos corpos são em geral descritas por ângulos de Euler. Esta abordagem apresenta singularidade na parametrização do movimento dada pelo problema de Gimbal Lock. A complexidade de se interpolar os movimentos descritos pelos ângulos de Euler é outro problema. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho é apresentar um novo método para resolver a cinemática inversa de robôs humanoides mantendo seu equilíbrio dinâmico. O método se fundamenta na geometria algébrica e dual quaternions para obter o modelo cinemático inverso, o qual é capaz de descrever o movimento espacial de robôs humanoides sem restrições à orientação e aos deslocamentos desejados. A metodologia proposta permite interpolar os ângulos, velocidades e acelerações angulares das articulações, resultando em funções polinomiais, permitindo também obter a aceleração do centro de massa. A análise da estabilidade dinâmica é feita para o movimento teórico proposto, por simulações computacionais e por testes experimentais, com base no método do Ponto de Momento Nulo (ZMP - Zero Moment Point). A influência dos efeitos dinâmicos também é avaliada pela variação da aceleração do centro de massa do robô. O método foi aplicado no projeto do movimento de dois robôs de diferentes tamanhos. Os testes realizados confirmaram a estabilidade dinâmica da trajetória proposta, validando a metodologia para projetar e simular os movimentos de robôs humanoides.
Abstract: Humanoid robots are multibody systems with appearance of humans, with two legs, two arms and a head. There are different applications where humanoid robots can be used, as in domestic’s activities, rescue of victims in natural disasters and to support the human rehabilitation. The kinematic model of humanoid robots has been extensively studied and there are different approaches to solve it. The interest is to obtain such models that represent the humanoid gait as similar as possible to the human gait. Despite the solutions presented in the literature, the robots still walking with behavior different of human’s, even on flat surfaces and without external disturbances. Possible reasons for these differences are the limitations of the inverse kinematics model used for the robot design. In general, the motions are split on two independent planes, keeping constant the torso and feet orientation, that does not give a general solution to describe a spatial trajectory of the humanoid robot. A common approach to obtain these models applies the conventional geometric methods to model the inverse kinematics, with matrix transformation and trigonometric expressions, where the multibody orientation is, in general, given by Euler angles. This approach presents parametrization singularities given by Gimbal Lock problem. The complexity to interpolate the motion described by Euler angles is another problem. Then, the objective of this work is to present a new method to solve the humanoid robot’s inverse kinematics maintaining its dynamic equilibrium. The method is based on algebraic geometry and dual quaternions approach to obtain the inverse kinematics model, which is able to describe the spatial motion of humanoid robots without restrictions of orientation and required displacement. The proposed methodology enable to interpolate the joint angles, velocities and accelerations, resulting in polynomial functions, allowing to obtain the acceleration of the center of mass. The dynamic stability analysis is done to the proposed motion, by computational simulations and experimental tests, based on the method of Zero Moment Point (ZMP). The influence of dynamic effects is also evaluated by the variation of the robot center of mass acceleration. The method was applied to design the gait of two robots of different sizes. The tests have shown the dynamic stability of the proposed trajectory and validated the methodology to design and simulate the humanoid robot gait.
Keywords: Engenharia mecânica
Robôs
Geometria algébrica
Dinâmica
Robôs humanoides
Estabilidade dinâmica
Dual quaternions
Humanoid robots
Algebraic geometry
Dynamic stability
Dual quaternions
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: MARQUES, Vinícius Abrão da Silva. Métodos algébricos aplicados ao estudo do movimento de robôs humanoides. 2016. 148 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2016.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/18747
Date of defense: 16-Dec-2016
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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