Desenvolvimento de um ambiente de cosimulação Adams-Simulink para o controle da locomoção de um robô quadrúpede
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Data
2023-11-30
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Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
O presente trabalho propõe a criação de um ambiente virtual para a implementação de técnicas de controle da locomoção em um protótipo virtual de robô quadrúpede com pernas contendo dois graus de liberdade e com movimento restrito ao plano sagital, modelado com base nas dimensões do Mini Cheetah. As etapas do trabalho incluem a construção do protótipo virtual do robô quadrúpede, a implementação do processo de geração de trajetórias cinemáticas e a cosimulação via Adams-Simulink da execução da marcha trote pelo robô por meio de uma malha de controle cinemático de posição com acionamento por velocidade utilizando um controlador proporcional. Realizou-se a prototipagem virtual no Adams, onde foram feitas a importação e manipulação do desenho tridimensional do quadrúpede, inserção de pontos de construção para definição das posições das juntas e validação dos comprimentos das patas do robô com base nos comprimentos das patas do Mini Cheetah, definição das propriedades de massa, inserção de juntas e criação de contato entre as pernas do robô e o solo. Implementou-se o processo de geração de trajetórias cinemáticas no MATLAB, o qual consistiu na implantação do modelo matemático do Central Pattern Generator, criação das curvas de Bézier e resolução da cinemática inversa do robô quadrúpede. O protótipo e as trajetórias cinemáticas foram integradas em uma cosimulação por meio de uma malha de controle cinemático de posição com acionamento por velocidade construída no Simulink com um controlador proporcional. Os resultados obtidos foram analisados e comparados em gráficos e englobaram a geração das trajetórias cinemáticas, a atuação do controlador implementado, os torques nas juntas motorizadas e a estabilidade do robô durante a execução da marcha trote. Tais resultados demonstraram a estabilidade do robô durante a movimentação, a execução de trajetórias cinemáticas coerentes, compassadas e sem esforços excessivos nas juntas e, além disso, a facilidade com que os parâmetros da cosimulação podem ser alterados, permitindo a utilização do ambiente virtual construído para a implementação simplificada de técnicas de controle da locomoção.
This paper proposes the creation of a virtual environment for implementing locomotion control techniques in a virtual prototype of a quadrupedal robot with legs containing two degrees of freedom and with movement restricted to the sagittal plane, modeled based on the dimensions of the Mini Cheetah. The stages of the project include the construction of the quadrupedal robot virtual prototype, the implementation of the process of generating kinematic trajectories, and the cosimulation via Adams-Simulink of the execution of the trot gait by the robot through a kinematic position control loop activated by velocity using a proportional controller. Virtual prototyping was carried out in Adams, where the three-dimensional design of the quadruped was imported and manipulated, construction points were inserted to define the positions of the joints and to validate the lengths of the robot’s legs based on the lengths of the Mini Cheetah legs, mass properties were defined, joints were inserted and contact was created between the robot’s legs and the ground. The process of generating kinematic trajectories was implemented in MATLAB, which consisted of implementing the Central Pattern Generator mathematical model, creating Bézier curves and solving the inverse kinematics of the quadruped robot. The prototype and kinematic trajectories were integrated into a cosimulation through a kinematic position control loop with velocity actuation built in Simulink with a proportional controller. The results obtained were analyzed and compared in graphs and included the generation of kinematic trajectories, the performance of the implemented controller, the torques on the motorized joints and the stability of the robot during the execution of the trot gait. These results demonstrated the stability of the robot during movement, the execution of coherent and paced kinematic trajectories without excessive effort on the joints and, in addition, the ease with which the cosimulation parameters can be changed, allowing the use of the virtual environment built for the simplified implementation of locomotion control techniques.
This paper proposes the creation of a virtual environment for implementing locomotion control techniques in a virtual prototype of a quadrupedal robot with legs containing two degrees of freedom and with movement restricted to the sagittal plane, modeled based on the dimensions of the Mini Cheetah. The stages of the project include the construction of the quadrupedal robot virtual prototype, the implementation of the process of generating kinematic trajectories, and the cosimulation via Adams-Simulink of the execution of the trot gait by the robot through a kinematic position control loop activated by velocity using a proportional controller. Virtual prototyping was carried out in Adams, where the three-dimensional design of the quadruped was imported and manipulated, construction points were inserted to define the positions of the joints and to validate the lengths of the robot’s legs based on the lengths of the Mini Cheetah legs, mass properties were defined, joints were inserted and contact was created between the robot’s legs and the ground. The process of generating kinematic trajectories was implemented in MATLAB, which consisted of implementing the Central Pattern Generator mathematical model, creating Bézier curves and solving the inverse kinematics of the quadruped robot. The prototype and kinematic trajectories were integrated into a cosimulation through a kinematic position control loop with velocity actuation built in Simulink with a proportional controller. The results obtained were analyzed and compared in graphs and included the generation of kinematic trajectories, the performance of the implemented controller, the torques on the motorized joints and the stability of the robot during the execution of the trot gait. These results demonstrated the stability of the robot during movement, the execution of coherent and paced kinematic trajectories without excessive effort on the joints and, in addition, the ease with which the cosimulation parameters can be changed, allowing the use of the virtual environment built for the simplified implementation of locomotion control techniques.
Descrição
Palavras-chave
Prototipagem virtual, Central Pattern Generator, Curvas de Bézier, Cinemática inversa, Controle da locomoção, Virtual prototyping, Bézier curves, Inverse kinematics, Locomotion control
Como citar
LOPES, Guilherme Doubek. Desenvolvimento de um ambiente de cosimulação Adams-Simulink para o controle da locomoção de um robô quadrúpede. Orientador: Mauricio Becerra Vargas. 2023. 78 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação) – Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Sorocaba, 2023.