Mostra Nacional de Robótica (MNR) 1

DESENVOLVIMENTO E CONTROLE DE UM MANIPULADOR ROBÓTICO Leandro Almeida Santos1, Caio Silva Miranda1, Enrique Peter Rivas Padilla 2

1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA/ 45.075-265 – VITÓRIA DA CONQUISTA – BA

2 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA/

45.075-265 – VITÓRIA DA CONQUISTA – BA

Resumo: Neste projeto foi desenvolvido um manipulador robótico hidráulico microcontrolado, com três graus de liberdade de movimento. O sistema hidráulico é composto por seringas fixas às articulações do braço e acopladas a motores elétricos DC. O funcionamento desse sistema baseia-se no Princípio de Pascal, dessa maneira, o movimento do manipulador ocorre de acordo à transmissão da pressão aplicada ao fluido pela seringa. No controle de posicionamento e automação do manipulador foi utilizado o microcontrolador PIC18F4550, que também desempenha a função de gravar uma sequência de movimentos, para que possa ser repetida posteriormente. A interface homem-máquina foi implementada por meio de um display LCD e um teclado matricial, possibilitando o monitoramento de informações importantes bem como, o controle do manipulador pelo usuário. Um diferencial deste trabalho foi o reaproveitamento de motores encontrados em sucatas e o uso de materiais de baixo custo como seringas e madeira na construção do manipulador . Os resultados indicam que o manipulador robótico construído funciona como projetado, podendo ser aplicado em processos repetitivos, similar a um braço robótico industrial.

Palavras Chaves: automação, robótica, manipulador robótico, microcontrolador PIC

Abstract: In this project it developed a hydraulic robotic manipulator microcontroller with three degrees of freedom of movement. The hydraulic system consists of syringes fixed to the joints of the arm and coupled to DC electric motors. The operation of this system is based on Pascal's principle, in this manner, the manipulator movement takes place according to the transmission of pressure applied to the fluid by the syringe. In motion control and automation handler was used PIC18F4550 microcontroller, which also performs the function of recording a sequence of movements, so it can be retried later. The man-machine interface has been implemented by means of an LCD display and a matrix keyboard, enabling monitoring of important information as well as the user-handler control. A differential of this work was the reuse of scraps found in engines and the use of inexpensive materials such as syringes and wood, the handler construction. The results indicate that the robotic manipulator constructed operates as designed and may be applied in repetitive processes as well as an industrial robot arm.

Keywords: automation, robotics, robotic manipulator, PIC microcontroller

1 INTRODUÇÃO

A robótica é a ciência que está encarregada de planejar e construir robôs, englobando várias áreas, como as engenharias mecânica, elétrica e eletrônica, incluindo também diversos ramos da física e da computação. Dentro deste vasto campo que é a robótica, destacam-se os chamados manipuladores robóticos, definidos como maquinas programáveis de propósito geral que executam atividades rotineiras. A idéia de se construir robôs começou a tomar força no início do século XX, foi nesta época que o robô industrial encontrou suas primeiras aplicações, o pai da robótica industrial foi George Devol.

Na indústria, os motivos para a utilização de um braço robótico são os mais diversos, como por exemplo, a necessidade de aumentar a produtividade e melhorar a qualidade dos produtos, assim como, substituir o homem em tarefas onde se requer muita precisão, trabalhos monótonos e repetitivos. Também no emprego em ambientes com condições de periculosidade e insalubridade, como locais contendo altos níveis de calor, ruído, gases tóxicos e/ou esforço físico extremo.

No campo acadêmico pode ser considerado como uma poderosa ferramenta de auxílio no processo de ensino e pesquisa, atuando na automação de alguns experimentos, onde o controle e aquisição automática de dados podem ser feitos à distância.

Percebe-se então a importância da robótica e suas aplicações no campo acadêmico e no desenvolvimento industrial e tecnológico. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um braço robótico hidráulico microcontrolado, com 3 graus de liberdade e uma garra mecânica. Podendo ser controlado por um usuário e também repetir uma sequência de movimentos realizada anteriormente, possibilitando seu uso em diversas aplicações que requerem precisão e automação dos movimentos.

Este artigo encontra-se organizado da seguinte forma: a seção 2 apresenta a fundamentação teórica. A seção 3 descreve o trabalho proposto. A sessão 4 aborda os materiais e métodos utilizados. Os resultados são apresentados na seção 5, e as conclusões são apresentadas na seção 6.

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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste tópico descrevemos a teoria relacionada aos prconceitos em que se baseiam o desenvolvimento deste projeto.

2.1 Manipuladores mecânicos

Conceitualmente um manipulador mecânico é uma maquina programável de propósito geral.Os manipuladores apresentamse como uma ferramenta em alto grau de versatilidflexibilidade, motivos que os tornarem elemento importante no processo de automação industrial.

Um robô é um manipulador multifuncional programável, projetado para movimentar materiais, partes, ferramentas ou peças especiais, através de diversos movimentos programados para o desempenho de uma variedade de tarefas. ( Maciel & Assis & Dorneles)

2.2 Princípio de Pascal

O princípio de Pascal demonstra que uma variação na pressão aplicada em um fluído ideal (incompressível) confinado é transmitida integralmente para todas as posições do fluído e para as paredes do recipiente que o contém.

2.3 Encoder

Os encoders, também chamados de codificadores, são sensores de posição que são constituídos por um ou mais sensores óticos de barreira, que detectam a passagem de um (figura 1). O feixe de luz proveniente do Led emissor que chega na base do fototransistor é interrompido quando o disco começa a girar, para cada volta em que é completada pelo eixo do disco é gerado uma quantidade de pulsos (definida pela precisão do encoder).

Figura 1- Encoder rotativo para medir o movimento rotacional dos motores.

2.4 Microcontolador PIC

O microcontrolador PIC é um componente eletrônico fabricado pela empresa Microchip Technology, capaz de ser programado para realizar operações lógicas e aritméticas, interagindo com periféricos (LEDs, botões, sensores ou até outro PIC). Deste fato vem o nome PIC (Peripheral Integrated Controller, ou controlador integrado de periféricos). Um microcontroldiferentemente de um processador, possui memória volátil (RAM) e não volátil (EEPROM), além de outros periféricos internos, o que o torna bastante útil. Este é capaz de operar independente de memórias externas, além de poder ser programado em linguagem de alto nível, como a linguagem

O PIC18F4550, escolhido para o projeto, possui importantes características como: memória de programa (Flash) de 32Kb, memória de dados (RAM) de 2Kb, velocidade de operação de

A

Neste tópico descrevemos a teoria relacionada aos principais conceitos em que se baseiam o desenvolvimento deste projeto.

Conceitualmente um manipulador mecânico é uma maquina programável de propósito geral.Os manipuladores apresentam-se como uma ferramenta em alto grau de versatilidade e flexibilidade, motivos que os tornarem elemento importante no

Um robô é um manipulador multifuncional programável, projetado para movimentar materiais, partes, ferramentas ou

imentos programados para o desempenho de uma variedade de tarefas. ( Maciel &

demonstra que uma variação na pressão aplicada em um fluído ideal (incompressível) confinado é

te para todas as posições do fluído e

Os encoders, também chamados de codificadores, são sensores de posição que são constituídos por um ou mais sensores óticos de barreira, que detectam a passagem de um disco perfurado

). O feixe de luz proveniente do Led emissor que chega na base do fototransistor é interrompido quando o disco começa a girar, para cada volta em que é completada pelo eixo do disco é gerado uma quantidade de pulsos (definida pela

Encoder rotativo para medir o movimento

O microcontrolador PIC é um componente eletrônico fabricado pela empresa Microchip Technology, capaz de ser programado

operações lógicas e aritméticas, interagindo com periféricos (LEDs, botões, sensores ou até outro PIC). Deste fato vem o nome PIC (Peripheral Integrated Controller, ou controlador integrado de periféricos). Um microcontrolador,

ador, possui memória volátil (RAM) e não volátil (EEPROM), além de outros periféricos internos, o que o torna bastante útil. Este é capaz de operar independente de memórias externas, além de poder ser programado em linguagem de alto nível, como a linguagem C.

O PIC18F4550, escolhido para o projeto, possui importantes características como: memória de programa (Flash) de 32Kb, memória de dados (RAM) de 2Kb, velocidade de operação de

até 48Mhz, 35 Portas digitais de entrada e/ou saída, 13 Portas analógicas com 10 bits de resolução, faixa de tensão de operação de 2,0V à 5,5V, 20 tipos de interrupções, Arquitetura RISC (set de instruções reduzidas), 3 timers, módulo CCP (Capture/Compare/PWM) e comunicação UART, USART, SPI, I2C. (MICROCHIP, Datasheet)

3 O TRABALHO PROPOSTO

O manipular robótico características similares ao de um braço industrialcontrole do dispositivo foi utilizado um microprocessador no qual foi programado para: receber comandos executar a tarefa desejada sequencia dos movimentos.posteriormente executar os comandos na mesma ordem em que foram gravados.

O principio de funcionamento do protótipofigura 2, onde se pode observar que as seringas funcionam como atuadores hidráulicos. Neste caso utilizaconectadas por uma mangueira para cada articulação, uma das seringas é utilizada para movimentar o braço e a outra para alterar a pressão através de uma força F aplicada no seu êmbolo. Para a aplicação da força F mecanismo que foi adaptadoimpressora e o controle deste mecanismo é feito pelo microcontrolador.

Figura 2- Princípio de funcionamehidráulicos.

A estrutura mecânica do protótipochapas de compensado. Com relação seringas foram fixadas nas articulações do braço através de um suporte metálico e interconectadas através de

A Figura 3 exibe um dos dispositivoseringas para movimentar as articulações do braço. Este mecanismo originalmente era responsável por controlar a cabeça de impressão de uma impressora não modo adaptamos este dispositivo para movimentar o êmbolo da seringa para ambas as direções apenas controlando o sentido de rotação do motor.

Figura 3- Dispositivo de atuação da força hidráulica

Para o movimento de rotação da base do manipdesenvolvido o mecanismo mostrado nada figura 4 está o motor de passo acoplado a um sistema de

até 48Mhz, 35 Portas digitais de entrada e/ou saída, 13 Portas m 10 bits de resolução, faixa de tensão de

operação de 2,0V à 5,5V, 20 tipos de interrupções, Arquitetura RISC (set de instruções reduzidas), 3 timers, módulo CCP (Capture/Compare/PWM) e comunicação UART, USART, SPI, I2C. (MICROCHIP, Datasheet) .

TRABALHO PROPOSTO

construído possui algumas ao de um braço industrial. Para o

foi utilizado um microprocessador no receber comandos de um teclado,

executar a tarefa desejada e gravar na memória interna a . Desse modo o sistema pode

executar os comandos na mesma ordem em que

O principio de funcionamento do protótipo é mostrado na , onde se pode observar que as seringas funcionam

como atuadores hidráulicos. Neste caso utiliza-se duas seringas conectadas por uma mangueira para cada articulação, uma das seringas é utilizada para movimentar o braço e a outra para

o através de uma força F aplicada no seu êmbolo. Para a aplicação da força F foi utilizado um mecanismo que foi adaptado, obtido a parti de sucata de impressora e o controle deste mecanismo é feito pelo

de funcionamento dos atuadores hidráulicos.

protótipo foi desenvolvida utilizando chapas de compensado. Com relação à parte hidráulica, as seringas foram fixadas nas articulações do braço através de um

e interconectadas através de mangueiras.

dispositivos adaptados que atua nas movimentar as articulações do braço. Este

mecanismo originalmente era responsável por controlar a cabeça de impressão de uma impressora não fiscal. Desse modo adaptamos este dispositivo para movimentar o êmbolo da seringa para ambas as direções apenas controlando o sentido de

de atuação da força hidráulica.

Para o movimento de rotação da base do manipulador foi mostrado na Figura 4. A esquerda

o motor de passo acoplado a um sistema de

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engrenagens que tem a função de rotacionar o eixo em que o braço é fixado. Mais a direita da figura está um sensor de interrupção que é utilizado para obter-se um referencial para o motor de passo no momento em que o sistema é ligado.

Figura 4- Mecanismo para fazer o protótipo girar.

O protótipo é controlado por três motores DC, como o da figura 3 e pelo motor de passo (Figura 4). Para o controle dos motores DC foi desenvolvido um circuito elétrico capaz fornecer ganho de tensão e corrente chamado de Ponte H, alem de permitir inverter o sentido de rotação. Para controlar o motor de passo foi desenvolvido um drive de corrente. O circuito de ponte H foi montado utilizando componentes discretos como transistores NPN de uso geral BC547, e outros como o TIP32 e TIP31. A Figura 5 mostra o esquema elétrico.

Figura 5- Esquema elétrico do circuito ponte H.

O drive de corrente do motor de passo foi construído utilizando transistores darlington, este possui dois transitores bipolares NPN num único encapsulamento (TIP122), a principal vantagem desse componente é a diminuição da corrente de base que o microcontrolador precisa fornecer para acionar o circuito. A figura 6 exibe o esquema do circuito.

Figura 6- Esquema elétrico do circuito de acionamento do motor de passo.

O PIC precisa controlar três motores DC, para não haver necessidade de construir um circuito de ponte H para cada motor, foi desenvolvido um circuito para selecionar qual motor será acionado por vez, ou seja, foi criado um circuito multiplexador utilizando reles para controlar a alimentação dos motores.

A interface IHM é composta por um display LCD e um teclado matricial o display tem a função de exibir parâmetros de funcionamento do sistema (saída de dados), como qual botão está pressionado, se ocorreu algum erro na execução do programa gravado, além de exibir modos de operação do dispositivo entre outras funções. O teclado é do tipo matriz, possui 3 colunas e 3 linhas. E funciona fazendo a varredura das colunas e lendo as linhas, de modo que todos os 9 botões são testados. A maior vantagem desta metodologia é a economia de pinos do microcontrolador, neste caso se utiliza 6 pinos para a leitura de 9 botões.

Também foi desenvolvida uma interface serial entre o microcontrolador e um computador através de uma porta serial. Ela tem a função de enviar dados referentes as posições dos motores para o PC e ao mesmo tempo o computador pode enviar comandos de controle para o braço através de algum programa que se comunique com a serial .

O microcontrolador conhece a posição de cada motor por que ele recebe um sinal lógico vindo do encoder que cada motor possui, o encoder liga e desliga conforme o motor se movimenta funcionando como um interruptor óptico. Estes interruptores também foram utilizados como sensor de fim de curso para informar para o PIC a posição zero dos motores, garantindo um referencial para o sistema.

A Erro! Fonte de referência não encontrada.7 mostra os circuitos necessários para o funcionamento do projeto e as interfaces elétricas para entrada e saída de dados para microcontrolador. Os circuitos apresentados anteriormente foram substituídos por blocos, para facilitar a visualização do sistema completo.

Figura 7- Esquema elétrico do circuito completo.

A figura 8 exibe a placa que controla todos os dispositivos que compõe o sistema. É nela que está fixado o PIC18F4550, responsável pelo controle do protótipo, os outros componentes estão embaixo do display. A placa apresenta as conexões necessárias para acionar as outras placas: Ponte H, drive do motor de passo. Alem disso, ela possui todos os dispositivos de entrada e saída como o display LCD, conexão serial e a conexão para o teclado matricial.

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Figura 8: Placa de controle do sistema.

Firmware do braço robótico

O código para o microcontrolador foi escrito em linguagem C, com o compilador da MICROCHIP o MPLAB IDE v8.92 e utilizando um plugin para a linguagem C. Na execução do firmware o primeiro passo é posicionar todos os motores em um referencial conhecido, depois o programa fica constantemente lendo os botões do teclado aguardando o acionamento de alguma tecla. Após um botão ser pressionado é iniciada uma rotina no programa que controla uma parte específica do braço. Foi desenvolvido um sistema de posicionamento para cada motor, de modo que uma vez que um botão é pressionado o motor gira, o braço se movimenta e ao mesmo tempo o encoder que cada motor possui envia um sinal digital para o microcontrolador, informando sua posição e esta é gravada na memória do chip em uma ordem especifica. Desta forma o sistema pode posteriormente replicar o movimento gravado quantas vezes for necessário na mesma ordem em que foi programado. Isso foi possível por que os motores utilizados possuem encoders ocoplados ao eixo de rotação, assim através de interrupções externas o microcontrolador pode gravar, com precisão, a posição de cada motor.

Como o intervalo de tempo em que um botão e outro é pressionado é um fator importante, este tempo também foi gravado na memória do PIC utilizando a interrupção do TIMER0. Assim sendo, tanto a posição como o tempo em que cada motor leva para ser acionado serão gravados na memória..

4 MATERIAIS E MÉTODOS

A fim de verificar a confiabilidade do sistema desenvolvido, foram feitos testes envolvendo todas as funções do protótipo. Primeiramente foram realizados testes simples que envolviam apenas a movimentação do manipulador através do teclado matricial e não foram encontradas falhas na amplitude dos movimentos, ou na não movimentação do braço, testes envolvendo a gravação e a posterior execução de movimentos foram executadas várias vezes e com movimentações completamente distintas.

Em uma das programações o braço foi controlado manualmente, apertando os botões, até uma posição onde estava um pequeno objeto cilíndrico e este foi apanhado pela garra mecânica e colocado em outra posição. Após isso o protótipo foi habilitado para reproduzir o movimento e ele foi no mesmo local, pegou o objeto e o colocou na segunda posição assim como foi programado na primeira vez. Este processo foi repetido inúmeras vezes e em diferentes posições para verificar a eficiência do sistema.

A grande vantagem nesse método de programação que foi desenvolvido no projeto é que qualquer pessoa com um mínimo de conhecimento em programação pode, facilmente programar o braço robótico apenas apertando os botões de comando do teclado.

O protótipo foi testado por vários alunos do IFBA do curso de engenharia elétrica.

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados obtidos com a montagem dos circuitos elétricos que controlam o braço indicam um funcionamento como previsto.

O circuito de acionamento e controle de rotação dos motores CC desempenhou sua função de forma satisfatória, analogamente o circuito que aciona o motor de passo também funcionou como esperado. O circuito de multiplexagem dos motores conseguiu trabalhar de forma rápida o suficiente para dar a impressão de que os motores são acionados quase ao mesmo tempo.

Com o circuito de interface serial com o computador foi possível controlar o braço robótico através do próprio teclado do PC, e ao mesmo tempo ver os dados das posições dos motores chegando pela porta serial. Este circuito também foi testado em um computador, que não possui uma porta serial, para isso foi utilizado um conversor padrão serial-USB, que emula de forma satisfatória uma porta serial virtual.

A interface de entrada e saída de dados respondeu aos comandos do operador de forma adequada. Para o funcionamento do teclado foi necessário à implementação de uma rotina de debounce em software para a filtragem das teclas, para eliminar as transições aleatórios do sinal devido aos contatos metálicos.

Na figura 9 mostra o manipulador construído, na parte inferior direita da figura temos um dos dispositivos que aplica a força para movimentar a seringas e consequentemente o braço.

Figura 9: Estrutura mecânica do manipular robótico.

Uma sugestão para trabalhos futuros seria modificar a arquitetura de controle do manipulador para uma interface de controle sem fio, por exemplo, usando um módulo Bluetooth que em conjunto com algum aparelho celular pode, através de um aplicativo controlar o braço.

6 CONCLUSÕES

Com base nos experimentos que foram realizados para testar o braço, pode-se dizer que o programa (firmware) do

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manipulador, assim como os circuitos e a estrutura construída, funciona assim como esperado.

Analisando os resultados de um modo geral, pode ser concluído que o projeto atingiu o objetivo principal, que foi construir um braço robótico e fazê-lo executar uma tarefa sendo controlado por alguém e depois replicar de forma idêntica o movimento sem a intervenção humana.

Duas limitações foram observadas para este manipulador, uma é a velocidade, por depender de diferença de pressão entre os êmbolos das seringas existe um certo retardo para a movimentação do braço. E a outra é que o tipo de garra utilizada restringe a manipulação de objetos grandes, devido à limitação na abertura da mesma

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