SARA LOPES M7907 | JOÃO BÁRBARA M7930 | JOÃO FARIA M8007 | LUÍS MENDES M8759

Ano Letivo: 2017/2018

UNIVERSIDADE DA BEIRA

INTERIOR

2º Ciclo de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Robótica Industrial

Prof. Pedro Dinis

Braço Robótico – Projeto Prático RELATÓRIO

Covilhã, Janeiro 2018

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Índice

Introdução ......................................................................................................................... 3

Comunicação RS232 ........................................................................................................ 4

Divisor de tensão .............................................................................................................. 5

Material ............................................................................................................................. 6

Braço robótico ........................................................................................................................... 6

Motores ..................................................................................................................................... 8

Sensores..................................................................................................................................... 9

Desenho do circuito eletrónico ....................................................................................... 10

(Ferramenta Proteus)........................................................................................................... 10

Código da Pic ....................................................................................................................... 13

Desenho do circuito para PCB........................................................................................ 16

(Ferramenta Eagle) .............................................................................................................. 16

Controlador para eixos.................................................................................................... 20

Anexos ............................................................................................................................ 21

Componentes Necessários ................................................................................................... 21

Gui Matlab .......................................................................................................................... 21

Código Gui Matlab ............................................................................................................... 23

3

Introdução

No âmbito da cadeira de Robótica Industrial foi proposta a elaboração de um

controlador que operasse um braço robótico. Este atua sob três eixos, x, y, z, onde cada

um funciona com um motor DC e apresenta dois sensores magnéticos. Existe ainda uma

pinça controlada por vácuo.

Para a elaboração deste projeto implementaremos sequencialmente dois pontos que

podemos designar por software e hardware.

Numa primeira fase, elaboraremos através da ferramenta Proteus, os seguintes

circuitos:

Esquema do regulador de tensão;

Esquema do microcontrolador;

Esquema da ponte H para eixo X e Y;

Esquema para a Ponte H para eixo Z e pinça;

Esquema de entrada dos sensores.

E através da ferramenta Eagle será elaborado, o desenho circuitos integrados (PCB),

sendo eles:

Alimentação e divisor de tensão para sensores;

Ponte H com respetivos díodos de roda livre para cada motor;

Ponte H com respetivos díodos de roda livre para cada motor e pinça;

Microcontrolador;

Conexões.

Posteriormente, elaboraremos o software responsável pelo controlo do sistema.

Primeiro vamos proceder à construção do código da programação da pic através do

software MikroC, responsável pelo controlo do braço robótico, que posteriormente será

simulada através da ferramenta Proteus. Por fim foi desenvolvido um software em visual

basic, designado por controllex, para o controlo dos eixos x, y e z.

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Comunicação RS232

Uma parte essencial deste projeto é a comunicação entre o utilizador e o robô por

software. Depois de analisados diversos tipos de comunicação entre o computador e a pic

(robô), optamos pela escolha da comunicação RS232. Trata-se de uma comunicação série

bastante utilizada devido à simplicidade no que toca em estabelecer as suas ligações,

tendo somente três linhas de comunicação, RX, TX e GND (USB TTL 485 converter).

UART, Universal Assynchronous Receiver/Transmitter, como o próprio nome indica,

é uma comunicação assíncrona pois não necessita de enviar clock juntamente com a data,

tal como acontece nas comunicações síncronas. O responsável pelo clock é o Baud Rate

que providencia o clock necessário para a transmissão dos dados e para a sua receção. Tal

como já foi referido em cima, o envio dos dados é feito apenas por dois fios, o Tx que se

encontra ligado ao Rx e vice-versa. O GND dos dois dispositivos deve ser comum.

Figura 1: Comunicação RS232.

Dizer ainda que outro mecanismo de uma comunicação RS232 é através de um cabo

com um PINOUT de nove pinos, onde o pino 1 corresponde ao DCD (Data Carrier

Detected), o pino 2 o Rx (Receive Data), o pino 3 o Tx (Transmit Data), o pino 4 o DTR

(Data Terminal Ready), o pino 5 o GND, o pino 6 o DST (Data Set Ready), o pino7 o

RTS (Request To Send), o pino 8 o CTS (Clear To Send) e o pino 9 o RI (Ring Indicator).

Este tipo de PINOUT é bastante útil para estabelecer ligação a computadores mais antigos

que não têm uma porta USB, no entanto o mecanismo e a lógica são exatamente as

mesmas, como explicado para a pen USB.

5

Divisor de tensão

Para a ligação dos sensores à placa de controlo (PIC) é necessário ter uma tensão

máxima de 3.3v e a nossa fonte de alimentação será de 24v, como tal é necessário um

divisor de tensão para cada sensor, fazendo um total de 6 divisores.

𝑉𝑜𝑢𝑡 =𝑅2

𝑅2 + 𝑅1∗ Vin

5𝑣 =1.2𝑘Ω

1.2𝑘Ω + 𝑅1∗ 24v

R1 = 4.5kΩ

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Material

Braço robótico

Figura 2: Braço Robótico.

O funcionamento do braço robótico consiste no seguinte:

Usando o programa controllex é introduzido um valor que dita as coordenadas e a

partir daí o programa faz a gestão de tempo/processo, isto é, transforma o valor

introduzido num tamanho de caracteres a enviar.

No caso do eixo X, usa os caracteres A e B, no que toca ao eixo Y, usa os caracteres

C e D por fim, no eixo Z, faz uso dos caracteres F e H.

Estes caracteres são enviados para o microcontrolador, onde cada caracter corresponde

a 0,5 segundos de movimento, com isto podemos associar uma distância a um

determinado tempo de ação. Assim sendo, imaginando que a posição 200mm no processo

demora 5 segundos a ser executada, ter-se-á então que enviar 10 caracteres A para o

microcontrolador. (ex: AAAAAAAAAA)

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São necessários 10 caracteres A, onde cada A simboliza 0,5 segundos de movimento,

o que neste caso seriam 10 traços.

Este processo é um processo básico, mas a fisionomia do braço e os seus apetrechos

(fins de curso) não permitem outra solução, logicamente que a oleosidade do eixo varia,

o peso da carga também e isto influencia no tempo de movimento, mas apenas se

instalando em cada motor um encoder se conseguiria um melhoramento deste

desempenho.

Assim sendo, o movimento dos motores e respetiva colocação nas coordenadas será

feita desta forma.

No que toca à parte física do controlo, será constituído por uma fonte de alimentação

de 24v e para cada sensor terá um divisor de tensão, pois os sensores terão uma

alimentação de 24v e o sinal terá de ser enviado para a Pic que na sua vez apenas suporta

uma tensão máxima de 5v.

Posto isto, o processo será programado numa PIC16F628A, que terá como suporte

pontes H LM298 para gerir a direção de rotação de cada motor. Para este projeto foram

projetadas duas PCB’s dupla face e a ligação entre o computador e o processador será

feita por cabo RS232 e com possibilidade de reprogramação do mesmo através de uma

porta usb.

Posição pretendia

Figura 3: Exemplo.

8

Figura 4: Motor.

Motores

9

Figura 5: Sensor 1. Figura 6: Sensor 2.

Figura 7: Sensor 3.

Sensores

10

Desenho do circuito eletrónico

(Ferramenta Proteus)

Figura 8: Regulador de Tensão

Figura 9: Microcontrolador

11

Figura 10: Ponte H para eixo X e Y

Figura 11: Ponte H para eixo Z e Pinça

12

Figura 12: Entrada Sensores

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A pic escolhida para este projeto foi a Pic16F886 e o software utilizado foi o mikroC.

O código seguinte é o código de programação da pic que foi simulado posteriormente

na ferramenta Proteus.

Código da Pic

int cont; // contador

unsigned char letra; // variavel

void InitTimer0() // função de inicialização das configurações do timer

//20ms tempo que demora a executar a função InitTimer0

OPTION_REG = 0x87; // registo

TMR0 = 100; // Prescaler 1.32

INTCON = 0xA0; // controlo do registo das interrupções

void main()

CMCON = 0x07; //Desabilita os comparadores

GIE_bit = 0x01; //Habilita interrupção global

PEIE_bit = 0x01; //Habilita interrupção por periféricos

T0IE_bit = 0x01; //Habilita interrução do Timer0

TRISA = 0x2F; // entrada no porto A

TRISB = 0X02; // configura a porta B como saída com exceção do bit 1 (rx)

PORTA = 0x00; // iniciam todos como saida

PORTB = 0x00; // inciam todos como saida

Uart1_Init(9600); // Baud Rate de 9600, comunicação RS232

delay_ms(50);

InitTimer0(); // chamada da função de inicialização das configurações do timer

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cont=0;

while (1) // ciclo

letra = 0; // limpa a variavel que vai guardar os dados recebidos

void Interrupt()

if (TMR0IF_bit) //20ms que demora a interrupção a ser executada

cont++;

if(cont==25) //500ms que demora a executar o comando de envio da “letra”

cont=0;

portb=0b00000000; // porto b como saida

porta=0b00000000; // porto a como saida

if (Uart1_Data_Ready()) // função para indicar que os dados estão recebidos

letra = Uart1_Read(); // função para a leitura dos dados recebidos

if ((letra =='A') && (PORTA.F0==0))

portb=0b00000001; // pino 1

if ((letra =='B') && (PORTA.F1==0))

portb=0b00001000; // pino4

if ((letra =='C') && (PORTA.F2==0))

portb=0b00010000;// pino5

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if ((letra =='D') && (PORTA.F3==0))

portb=0b00100000;//pino 6

if ((letra =='E') && (PORTA.F4==0))

portb=0b01000000;// pino7

if ((letra =='F') && (PORTA.F5==0))

portb=0b10000000; //pino8

if ((letra =='G'))

porta=0b10000000; //pino8

if ((letra =='H'))

porta=0b01000000; //pino8

TMR0IF_bit = 0; // limpa a flag da interupção

TMR0 = 100; // Prescaler 1:32

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Desenho do circuito para PCB

(Ferramenta Eagle)

Figura 13: Circuito completo

Figura 14: Alimentação e divisor de tensão para sensores (fins de curso)

17

Figura 15: Ponte H com respetivos díodos de roda livre para cada motor

Figura 16: Ponte H com respetivos díodos de roda livre para cada motor e pinça

18

Figura 17: Microcontrolador

Figura 18: Conecções

19

Figura 20: TOP e Bottom divisor tensão Figura 19: TOP e Bottom divisor tensão

com desenho dos componentes

Figura 24: Bottom do circuito de controlo Figura 21: Top do circuito de controlo

Figura 23: Top e Bottom do circuito de controlo Figura 22: Bottom do circuito de controlo com

desenho dos componentes

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Controlador para eixos

Para o utilizador conseguir comandar o braço robótico a partir do computador foi

desenvolvido um software em visual basic, designado por controllex. Aqui são inseridos

os segundos, comprimento e posição de cada eixo e da garra.

É também possível selecionar a porta que estabelece a comunicação com a pic via

rs232.

Tem também a capacidade de ao se carregar no botão home, regressar a posição inicial.

O círculo no canto inferior esquerdo diz-nos se está a estabelecer ligação ou não: caso

esteja vermelho não estabelece comunicação, caso esteja verde a comunicação está a

ocorrer.

O botão valores padrão é responsável por o próprio robô encontrar uma posição de

forma autónoma.

Figura 25: Ferramenta para controlar os movimentos por coordenadas.

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Anexos

Componentes Necessários

Unidades / nome componente

1-Lm7805;

12-diodos;

1-Pic 16f628a;

2-pontes lm298;

1-adaptador usb /rs232;

1-conector rs232 para soldar a uma PCB;

Resistências.

Gui Matlab

Inicialmente para o controlo dos eixos x, y e z em que o braço robótico atua foi criado

um código através da ferramenta gui matlab.

Para executar o cálculo que cada eixo percorre é feita a seguinte expressão:

Para o eixo x: 𝑃𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑥 ×30

100

Para o eixo y: 𝑃𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑦 ×20

100

Para o eixo z: 𝑃𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑧 ×10

100

O raciocínio para este cálculo seria, através de uma regra de três simples, onde esta

serve para calcular o tempo que se demora a percorrer uma determinada distância nesse

eixo sendo a sua totalidade 100 cm que demora 30 segundos a ser percorrida. O mesmo

aconteceria nos restantes eixos, alterando-se apenas o tempo a percorrer a totalidade dos

eixos.

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Depois de executado o código seria aberta a seguinte janela:

Este código foi uma tentativa que se revelou não ser muito eficaz, pois não era possível

executar uma boa comunicação entre o computador e a pic, faltando alguns parâmetros

essenciais para a movimentação do braço robótico.

Aqui é escolhido o valor de BaudRate

Aqui é mostrado o valor calculado através

da expressão 𝑃𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑥 ×30

100

Aqui é colocado o valor da distância que se pretenda que o

braço robótico percorra

Aqui é escolhida a porta COM

Figura 26: Ferramenta para controlar os movimentos por coordenadas gui matlab.

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Código Gui Matlab

function varargout = TRAB_FINAL1(varargin)

% Inicialização do Código

gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ... 'gui_Singleton', gui_Singleton, ... 'gui_OpeningFcn', @TRAB_FINAL1_OpeningFcn, ... 'gui_OutputFcn', @TRAB_FINAL1_OutputFcn, ... 'gui_LayoutFcn', [] , ... 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1); end

if nargout [varargout1:nargout] = gui_mainfcn(gui_State, varargin:); else gui_mainfcn(gui_State, varargin:); end % Fim da Inicialização do Código

% --- Executes just before TRAB_FINAL1 is made visible. function TRAB_FINAL1_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to TRAB_FINAL1 (see VARARGIN)

% Choose default command line output for TRAB_FINAL1 handles.output = hObject;

% Update handles structure guidata(hObject, handles);

% UIWAIT makes TRAB_FINAL1 wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1);

% --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = TRAB_FINAL1_OutputFcn(hObject, eventdata,

handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Get default command line output from handles structure varargout1 = handles.output;

function Ponto_X_Callback(hObject, eventdata, handles)

24

% hObject handle to Ponto_X (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Hints: get(hObject,'String') returns contents of Ponto_X as text % str2double(get(hObject,'String')) returns contents of Ponto_X

as a double

% --- Executes during object creation, after setting all properties. function Ponto_X_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Ponto_X (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns

called

% Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),

get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end

function Ponto_Y_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Ponto_Y (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Hints: get(hObject,'String') returns contents of Ponto_Y as text % str2double(get(hObject,'String')) returns contents of Ponto_Y

as a double

% --- Executes during object creation, after setting all properties. function Ponto_Y_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Ponto_Y (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns

called

% Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),

get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end

function Ponto_Z_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Ponto_Z (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Hints: get(hObject,'String') returns contents of Ponto_Z as text

25

% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of Ponto_Z

as a double

% --- Executes during object creation, after setting all properties. function Ponto_Z_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Ponto_Z (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns

called

% Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),

get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end

% Código para o botão CALCULAR

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

px = str2num(get(findobj(gcf,'Tag','Ponto_X'),'String')); % Transforma

a string com a tag denominada Ponto_X em número py = str2num(get(findobj(gcf,'Tag','Ponto_Y'),'String')); % Transforma

a string com a tag denominada Ponto_Y em número pz = str2num(get(findobj(gcf,'Tag','Ponto_Z'),'String')); % Transforma

a string com a tag denominada Ponto_Z em número

x = ((px * 30)/100); % Calcula a operação e guarda o

resultado em x y = ((py * 20)/100); % Calcula a operação e guarda o

resultado em y z = ((pz * 10)/100); % Calcula a operação e guarda o

resultado em z

calc_x = x; set(findobj(gcf,'Tag','X'),'String',calc_x); % Mostra o

resultado da operação anterior na tag denominada X calc_y = y; set(findobj(gcf,'Tag','Y'),'String',calc_y); % Mostra o

resultado da operação anterior na tag denominada Y calc_z = z; set(findobj(gcf,'Tag','Z'),'String',calc_z); % Mostra o

resultado da operação anterior na tag denominada Z

% Código para escolher BaudRate

function baud_rate_Callback(hObject, eventdata, handles)

contents = cellstr(get(hObject,'String')); bau_rate = contents(get(hObject,'Value')); assignin('base','baud_rate',baud_rate); if (strcmp(baud_rate,'300')) % Na primeira opção de

baudrate aparece 300 popVal = 1;

26

elseif (strcmp(baud_rate,'1200')) % Na segunda opção de

baudrate aparece 1200 popVal = 2; elseif (strcmp(baud_rate,'2400')) % Na terceira opção de

baudrate aparece 2400 popVal = 3; elseif (strcmp(baud_rate,'9600')) % Na quarta opção de

baudrate aparece 9600 popVal = 4; end assignin('base','popVal',popVal)

% --- Executes during object creation, after setting all properties. function baud_rate_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to baud_rate (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns

called

% Hint: popupmenu controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),

get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end

% --- Executes on button press in com. function com_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to com (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Desactivar botão actual set(hObject,'Enable','off');pause(0.1) % Tomar a ID da porta serie com=get(handles.com_e,'String'); % Verificar se e um ID válido if isempty(com)||isnan(str2double(com)) return end % Obter a velocidade (baud) contents = get(handles.los_baud,'String'); vel=str2double(contentsget(handles.los_baud,'Value')); %Configuração da porta serie handles.SerPIC = serial(['COM',com]);%Seleccionar a porta COM set(handles.SerPIC,'BaudRate',vel);%Velocidade set(handles.SerPIC,'DataBits',8);%8 bits de dados set(handles.SerPIC,'Parity','none');%sem control de paridade set(handles.SerPIC,'StopBits',1);%stop bit set(handles.SerPIC,'FlowControl','none');%flow control % Abrir a porta serie fopen(handles.SerPIC); % mensagem de abertura da porta serie warndlg(['Port COM',com,' OPEN'],'RS_232') % Habilitar o botao de envio set(handles.tx_b,'Enable','on') set(handles.los_baud,'Enable','off') % Actualizar a estrutura guidata(hObject,handles)

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function com_ser_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to com_ser (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Hints: get(hObject,'String') returns contents of com_ser as text % str2double(get(hObject,'String')) returns contents of com_ser

as a double

% --- Executes during object creation, after setting all properties. function com_ser_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to com_ser (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns

called

% Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),

get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end

% --- Executes on button press in reset. function reset_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to reset (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)