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Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET Engenharia da Computação Eduardo Calixto Severino Joystick para Controle do Braço Mecânico ED-7220C Curitiba 2005

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Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET

Engenharia da Computação

Eduardo Calixto Severino

Joystick para Controle do Braço Mecânico ED-7220C

Curitiba 2005

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Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET

Engenharia da Computação

Eduardo Calixto Severino

Joystick para Controle do Braço Mecânico ED-7220C

Monografia apresentada à disciplina de

Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação. Orientador Prof.: Luiz Carlos Pessoa Albini

Curitiba 2005

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TERMO DE APROVAÇÃO

Eduardo Calixto Severino

Joystick para Controle do Braço Mecânico ED-7220C

Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia

da Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca examinadora:

Prof.: Luiz Carlos Pessoa Albini

Prof.: Alessando Zimmer

Prof. : Adriana Cursino Thomé

Curitiba, 07 de novembro de 2005.

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AGRADECIMENTOS

Aos meus pais que sempre me apoiaram de certa forma para a realização desse

projeto. A todos os professores do curso que com seus conhecimentos, contribuíram, de

forma efetiva para realização desse projeto.

Aos meus amigos e amigas, que me deram todo o apoio ao longo do

desenvolvimento desse projeto.

Aos laboratoristas e colegas, que de certa forma contribuíram para o

desenvolvimento desse projeto.

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SUMÁRIO

RESUMO................................................................................................................................................................... 11

ABSTRACT............................................................................................................................................................... 12

1. INTRODUÇÃO..................................................................................................................................................... 13

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ....................................................................................................................... 13

2.1 CARACTERÍSTICAS DO BRAÇO MECÂNICO ........................................................................................................ 14 2.2 ENCODER .......................................................................................................................................................... 16 2.3 DIFERENÇAS ENTRE UM SENSOR E UM TRANSDUTOR ........................................................................................ 19 2.4 ACELERÔMETRO................................................................................................................................................ 20 2.4.1 ACELERÔMETRO ELETROMECÂNICO .............................................................................................................. 21 2.5 CONVERSOR AD................................................................................................................................................ 23 2.6 MICROCONTROLADOR....................................................................................................................................... 24

2.6.1 Microcontrolador 8051 ............................................................................................................................ 24 2.6.1.1 Pinagem do 8051 e suas funções .........................................................................................................................26 2.6.1.2 Modos de operação..............................................................................................................................................27 2.6.1.3 Interface Serial no 8051.......................................................................................................................................28 2.6.1.4 Comunicação RS-232 para o 8051 ......................................................................................................................28 2.6.1.5 Vantagens do 8051 ..............................................................................................................................................29

3. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA ............................................................................................................................ 30

3.1 ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE .......................................................................................................................... 30 3.1.1 Especificação do Joystick......................................................................................................................... 31 3.1.2 Conversão A/D ......................................................................................................................................... 33 3.1.3 Funções do Hardware .............................................................................................................................. 33 3.1.4 Sinal do acelerometro e botões ................................................................................................................ 33 3.1.5 Componentes utilizados............................................................................................................................ 33 3.1.6 Diagrama em blocos com descrição ........................................................................................................ 34 3.1.7 Ambiente de desenvolvimento................................................................................................................... 35

3.2 ESPECIFICAÇÃO DE SOFTWARE.......................................................................................................................... 35 3.2.1 Linguagem e ferramenta de desenvolvimento .......................................................................................... 35 3.2.2 Fluxograma com descrição ...................................................................................................................... 35

3.3 ESTIMATIVA DE INVESTIMENTO ........................................................................................................................ 36 3.3.1 Custos ....................................................................................................................................................... 36

3.3.1.1 Equipamentos ......................................................................................................................................................36 3.3.1.2 Descrição dos itens utilizados no projeto: ...........................................................................................................37 3.3.1.3 Mão de Obra........................................................................................................................................................37 3.3.1.4 Custos de Equipamentos e Softwares ..................................................................................................................37 3.3.1.5 Custo Total ..........................................................................................................................................................37

3.4 MÓDULOS ADICIONAIS...................................................................................................................................... 38 3.5 CRONOGRAMA .................................................................................................................................................. 39

4. PROJETO.............................................................................................................................................................. 40

4.1 DESCRIÇÃO DO TEMA........................................................................................................................................ 40 4.2 MOTIVAÇÃO DO DESENVOLVIMENTO................................................................................................................ 40 4.3 METAS A SEREM ALCANÇADAS.......................................................................................................................... 40 4.4 VISÃO GERAL.................................................................................................................................................... 41 4.5 DIAGRAMA EM BLOCOS DO SISTEMA ................................................................................................................ 41 4.6 PROJETO DE HARDWARE........................................................................................................................... 42

4.6.1 Descrição Detalhada................................................................................................................................ 42 4.6.2 Tabela de Sinais ....................................................................................................................................... 43 4.6.3 Tipo de Barramento.................................................................................................................................. 43 4.6.4 Lógica de Operação do Sinal................................................................................................................... 43 4.6.5 Sinais Analógicos ..................................................................................................................................... 43 4.6.6 Sinais ........................................................................................................................................................ 43 4.6.7 Alimentação Referencia............................................................................................................................ 43 4.6.8 Amplitude ou faixa.................................................................................................................................... 44 4.6.9 Descrição da função do Sinal .................................................................................................................. 44

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4.6.10 Lista de Materiais................................................................................................................................... 44 4.6.10.1 Modulo Conversor A/D .....................................................................................................................................44 4.6.10.2 Modulo KIT 8031..............................................................................................................................................44

4.3 PROJETO DE SOFTWARE ............................................................................................................................ 46 4.3.1 Diagramas de casos de uso ...................................................................................................................... 46 4.3.2 Diagrama de classes ................................................................................................................................ 47 4.3.5 Interface ................................................................................................................................................... 48

4.4 PROJETO DE FIRMWARE ............................................................................................................................ 50 4.4.1 Diagrama de Estados ............................................................................................................................... 50 4.4.2 Fluxograma do Firmware ........................................................................................................................ 51 4.4.3 COMUNICAÇÃO SERIAL ....................................................................................................................... 52

5. DESENVOLVIMENTO ....................................................................................................................................... 53

5.1 DESENVOLVIMENTO DO MÓDULO DE HARDWARE ............................................................................................. 53 5.1.1 Aquisição de dados do acelerômetro ....................................................................................................... 53 5.1.2 Processamento do Sinal ........................................................................................................................... 55 5.1.3 Envio dos dados para o PC...................................................................................................................... 56

5.2 DESENVOLVIMENTO DO MÓDULO DE SOFTWARE............................................................................................... 57 5.2.1 Leitura dos valores da USB...................................................................................................................... 57 5.2.1 Calibração do Joystick ............................................................................................................................. 57 5.2.2 Determinação dos Movimentos ................................................................................................................ 58 5.2.3 Envio de comandos para o braço-robo.................................................................................................... 58

6 RESULTADOS ...................................................................................................................................................... 59

7 CONCLUSÃO........................................................................................................................................................ 61

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................................................ 62

ANEXO I – DIAGRAMA ESQUEMATICO KIT 8051 ........................................................................................ 63

ANEXO II – DIAGRAMA ESQUEMATICO MODULO CONVERSOR A/D .................................................. 64

ANEXO III – ARTIGO TÉCNICO......................................................................................................................... 65

ANEXO IV – MANUAL TÉCNICO ....................................................................................................................... 65

ANEXO V – MANUAL DO USUÁRIO.................................................................................................................. 65

ANEXO VI – DATASHEETS.................................................................................................................................. 65

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – BRAÇO ROBÔ ED-7220............................................................................................................................. 15 FIGURA 2 - MK4-CONTROLER ..................................................................................................................................... 15 FIGURA 3 –MOVIMENTAÇÃO TRAPEZOIDAL ................................................................................................................. 15 FIGURA 4 – ENCODER .................................................................................................................................................. 16 FIGURA 5 – ACELEROMETRO ELETROMECÂNICO.......................................................................................................... 21 FIGURA 6 - ACELERÔMETRO ELETROMECÂNICO .......................................................................................................... 22 FIGURA 7 – DIAGRAMA EM BLOCOS DO ACELERÔMETRO.......................................................................................... 22 FIGURA 8 – DIAGRAMA EM BLOCOS DO CONVERSOR A/D ........................................................................................... 23 FIGURA 9 – PINAGEM DO MICROCONTROLADOR.......................................................................................................... 25 FIGURA 10 – MODO EXPANDIDO COM RAM E ROM ................................................................................................... 27 FIGURA 11 DIAGRAMA EM BLOCOS DO HARDWARE ..................................................................................................... 30 FIGURA 12 - MODELO DE JOYSTICK A SER UTILIZADO.................................................................................................. 31 FIGURA13 – BOTÕES DO JOYSTICK .............................................................................................................................. 32 FIGURA 14 – PROCESSO DE CONVERSÃO DO SINAL....................................................................................................... 33 FIGURA 15 – DIAGRAMA EM BLOCOS COM DESCRIÇÃO ................................................................................................ 34 FIGURA 16 – FLUXOGRAMA BÁSICO DO SOFTWARE ..................................................................................................... 35 FIGURA 17 - CRONOGRAMA DO PROJETO ..................................................................................................................... 39 FIGURA 18 – DIAGRAMA EM BLOCOS DO PROJETO ................................................................................................... 41 FIGURA19 – MÓDULOS DO HARDWARE ....................................................................................................................... 42 FIGURA 20 - DIAGRAMAS DE CASOS DE USO................................................................................................................. 46 FIGURA 21 - DIAGRAMA DE CLASSES ........................................................................................................................... 47 FIGURA 23 – TELA INICIAL DO SISTEMA ....................................................................................................................... 48 FIGURA 24 – MENSAGEM INFORMANDO QUE O JOYSTICK ESTA CALIBRADO ................................................................ 49 FIGURA 25 – TELA DE CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA..................................................................................................... 49 FIGURA 26 – DIAGRAMA DE ESTADOS DO FIRMWARE................................................................................................ 50 FIGURA 27 – FLUXOGRAMA DO FIRMWARE ................................................................................................................. 51 FIGURA 28 – PACOTE DE TRANSMISSÃO SERIAL 1 ........................................................................................................ 52 FIGURA 29 – LOCAL ONDE O ACELEROMETRO ESTA POSICIONADO............................................................................... 53 FIGURA 30 – ACELERÔMETROS E BOTÕES LIGADADOS NO CONVERSOR A/D............................................................... 54 FIGURA 31 – PINOS UTILIZADOS PARA FAZER O ENDEREÇAMENTO DO CONVERSOR..................................................... 55 FIGURA 32 – LIGAÇÃO DO CONVERSOR A/D E DO 8031 ............................................................................................... 55 FIGURA 33 – PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO............................................................................................................... 56 FIGURA 34 – CAIXA DESENVOLVIDA PARA ACOMODAR OS MÓDULOS DE HARDWARE ................................................ 59 FIGURA 35 – VISTA INTERNA DA CAIXA....................................................................................................................... 60 FIGURA 36 – JOYSTICK DESENVOLVIDO NO PROJETO ................................................................................................... 60

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LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – COMANDOS DO MK4-CONTROLLER .......................................................................................................... 18 TABELA 2 - TABELA DE SINAIS .................................................................................................................................... 43 TABELA 3 - TIPO DE BARRAMENTO .............................................................................................................................. 43 TABELA 4 – LÓGICA DE OPERAÇÃO ............................................................................................................................. 43 TABELA 5 – COMPONENTES DO MODULO CONVERSOR A/D ........................................................................................ 44 TABELA 6 – COMPONENTE DO MODULO KIT-8031 ..................................................................................................... 45

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LISTA DE SIGLAS

CI – Circuito Integrado. ADC – (Analogic to Digital Conversor) – Conversor Analógico Digital EPROM - Erasabel Programmable Read-Only Memory TTL – Transistor-Transistor Logic RS232 – Recommended Standard number 232 from the Electronic Industry Associantion UNICENP – Centro Universitário Positivo PC – Personal Computer (Computador Pessoal) NCET – Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas USB – Universal Serial BUS RAM – Ramdom Access Memory ROM – Ready Only Memory

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LISTA DE SIMBOLOS

Bytes – 8-bits Vcc – Tensão Contínua Gnd – Ground (Terra) µ - micro Ω – ohm V – Volt bps – bits por segundo

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RESUMO

Este projeto tem como objetivo, o desenvolvimento de um joystick analógico e

uma interface de comunicação micro-controlada para prover todos os comandos para o

braço robô Ed-7220C da Ed-Laboratories. O sistema é composto por um módulo de

hardware e um módulo de software. O módulo de hardware é responsável por fazer a

aquisição dos dados do joystick e enviar para o PC. O módulo de software faz o

processamento e a análise dos dados provenientes do módulo de hardware, e

posteriormente envia os comandos para controlar o braço-robô.

Palavras-chave: Joystick, Ed-7220C, braço-robô.

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ABSTRACT

This project has as objective, the development of an analogical joystick and an

micro-controlled communication interface in order to supply all the commands to the

Robot Arm Ed-7220 of the Ed-Laboratories. The system is composite by a hardware

module and a software module. The hardware module is responsible by doing the

acquisition of the data from de joystick and sends it to the PC. The software module,

does the data processing and the analysis of the data proceeding of the hardware

module, and later sends the commands to control the robot-arm.

Key-Words: Joystick, Ed-7220C, robot-arm.

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1. INTRODUÇÃO O braço robô Ed-7220C da Ed-Laboratories, é um braço para fins didáticos que

possui 6 motores e 5 junções. Ele não possui um joystick para seu controle, sendo

necessário utilizar um controle remoto chamado Teach Pendant para realizar essa

função. Em razão disso, existe a necessidade da construção de um joystick que seja

capaz de fornecer todos os comandos para controlar o braço robô.

Esse projeto visa o desenvolvimento de um joystick dotado de sensores

analógicos (acelerômetros) e botões para o controle através da interface serial do robô

Ed-7220. O joystick não fará a comunicação direta com o robô, mas sim com a

interface MK4 - Controler. Essa interface faz a “ponte” entre o Joystick e o braço robô.

Este trabalho está dividido em seis partes. (1) fundamentação teórica onde é

feita a revisão da literatura e apresentada a teoria necessária para a realização deste

projeto, (2) especificação técnica com sua lógica e com os respectivos diagramas

lógicos, (3) proposta de cronograma, bem como os recursos e custos estimados para o

seu desenvolvimento, (4) projeto do hardware e do software, contendo informações

relevantes sobre os componentes, circuitos e softwares que foram utilizados nesse

trabalho, (5) apresentação e discussão dos resultados, (6) serão apresentadas as

conclusões e as referências bibliográficas.

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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Este capítulo trata dos conceitos básicos envolvidos neste projeto. Tais

conceitos são descritos de forma detalhada, conforme a seqüência apresentada a

seguir:

2.1 Características do Braço Mecânico

O modelo disponível do braço mecânico que é utilizado neste projeto é o ED-

7220 - ARM Robot Trainer do ED Laboratory. Este modelo é composto por cinco

junções:

• Cintura;

• Ombro;

• Cotovelo;

• Pulso e

• Mão.

Possui seis movimentos:

• Um para cada junção e

• Um para abertura e fechamento da mão

Cada uma dessas junções é controlada por um servo-motor com exceção do

pulso, que é controlado pelo movimento combinado de dois servo-motores. Cada

junção é controlada por um motor DC, e a posição do motor é determinada pelo

encoder que cada motor possui. O funcionamento do encoder será explicado mais a

frente. Para fazer a comunicação com o robô, é necessário utilizar o protocolo próprio

do MK4-Controler. O MK4-Controler possui uma conexão serial RS-232, que possibilita

o envio dos comandos para o controle do robô. Uma imagem do robô com suas

junções pode ser observada na figura 1.

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Figura 1 – Braço Robô ED-7220

Para fazer a comunicação entre o Joystick e o braço mecânico é utilizado o

hardware MK4-Controller. A programação desse hardware pode ser feita de duas

formas: pelo protocolo próprio, como citado anteriormente, ou através de um outro

hardware conhecido como Teach Pendant. Por meio do Teach Pendant a programação

é transferida para o MK4-Controler que, por sua vez, comanda a movimentação dos

motores. No projeto foi utilizada a comunicação pelo protocolo próprio.

Figura 2 - MK4-Controller

Cotovelo

Cintura

Mão

Ombro

Pulso

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O MK4-Controller permite o ajuste de velocidade, aceleração, tipo de

movimentação, e demais configurações para controlar os servo-motores do robô. É

possível também fazer o controle de esforço de cada motor, armazenamento de

posição atual, controle de vários tipos diferentes de robôs e outras funções. No projeto,

foi escolhida a movimentação do tipo trapezoidal, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 - Movimentação Trapezoidal

Neste tipo de movimentação o motor afetado acelera até a velocidade

programada, permanece nela até chegar próximo ao seu destino e gradualmente

desacelera até parar o motor completamente. É interessante ressaltar que se o destino

do motor for encontrado antes dele atingir a sua velocidade este irá desacelerar, não

importando a velocidade atual.

2.2 Encoder

O encoder é um dispositivo que gera pulsos a cada grau de rotação do eixo do

motor. Isso é muito útil, pois é possível comandar o motor para ir até uma posição

específica sem ter que posicionar sensores para detectar o fim do movimento. Os

servo-motores mantém suas posições mesmo após o fim do estimulo elétrico.

Figura 4 – Encoder

Mantém velocidade

Reduz velocidade

Aumenta velocidade

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Inicialização: Para que o Robô possa funcionar é necessário definir alguns

parâmetros como velocidade, aceleração e tipo de movimentação. Deve-se definir

também o tipo de robô que o MK4-Controler irá controlar e se os comandos serão

enviados pelo Teach Pendant ou pela interface serial, que é chamado de host. Esta

tarefa de transferência de controle deverá ser a primeira executada, pois algumas

outras tarefas, como movimentação de motores não pode ser feita pelo host se o

Teach estiver com o controle.

Definição da posição destino do motor: é tarefa de informar ao MK4 em qual

posição que o motor deverá parar. Essa posição é contada em pulsos do encoder e

pode ser:

• Absoluta: é a contagem absoluta do motor que vai de –32768 a 32767.

• Relativa: na qual se informa ao motor qual será o incremento em pulsos do

encoder que o motor irá executar, a partir da posição atual.

Acionamento do motor: o MK4 aciona o motor até que a posição atual se

iguale à posição de destino, seja ela absoluta ou relativa. A partir da execução deste

passo o MK4 já pode receber uma outra posição de destino para o motor, porém esta

movimentação só será executada depois que a atual for concluída. A informação

anterior fica armazenada em um buffer no MK4-Controler.

No projeto o robô será configurado como um braço mecânico do tipo XR4. Esta

configuração permite utilizar toda a funcionalidade oferecida pelo braço robô ED-7220.

Esta funcionalidade diz respeito ao número de motores e junções que podem funcionar.

No caso do XR4 estão disponíveis cinco junções e seis motores. Abaixo os motores e

suas respectivas junções:

- Junção da mão: motor A → movimento de abre e fecha da garra;

- Junção do pulso: motores B e C → movimento vertical (azimutal) e de rotação;

- Junção do cotovelo: motor D → movimento vertical;

- Junção do ombro: motor E → movimento vertical;

- Junção da cintura: motor F → movimento de rotação.

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O hardware MK-4 possui um protocolo já definido, o qual interpreta comandos

previamente definidos tais como:

Comando Descrição Retorno Parâmetro

SA Retorna qual motor esta se movendo.

Retorna o valor decimal correspondente.

SM, m Retorna o modo do motor

1 se esta no modo Trapezoidal

m=A, B, C, D, E, F

CG Habilita ou desabilita a mão

0 desabilita – 1 habilita

CM, m, d Seta o modo do motor

m=A, B, C, D, E, F d = 1 – modo trapezoidal.

CR, d Seta o tipo do Robô d = 0 – XR-

GS Verifica o status da mão

1 se fechada, 0 se aberta

PA, m Verifica posição atual do motor

Retorna a posição em pulsos no encoder

m=A, B, C, D, E, F

GC Abre a mão GO Fecha a mão

HH Posiciona o Robô na posição inicial

MA Para todos os motores

MC Move todos os motores para posição de destino.

MS,m

Move o motor m para a posição armazenada no registrador.

m=A, B, C, D, E, F

PR,m,d Seta o destino do motor, usando o movimento relativo.

m=A, B, C, D, E, F -32767 <= d <= 32767

VC,m,d Seta a velocidade do motor

m=A, B, C, D, E, F -100 <= d <= 100

Tabela 1 – Comandos do MK4-Controller Todos os comandos utilizados estão descritos nesta tabela. Com esses 15

comandos básicos, é possível fazer todo o acionamento e controle do robô. Esses

comandos são enviados pelo software que roda no PC, através da interface serial RS-

232. A velocidade de transmissão padrão do MK4-Controler é 9600 bps.

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2.3 Diferenças entre um Sensor e um Transdutor

Uma importante função da eletricidade é a possibilidade de medir grandezas

físicas como temperatura, aceleração, posição, força, pressão entre outros fatores.

Para tanto é necessário transformar essas grandezas físicas em grandezas elétricas,

daí a importância da eletricidade. A função de transformação de uma grandeza, ou uma

forma de energia em outra, pode ser realizada por um sistema conhecido como

transdutor. Em resumo, transdutor é um sistema que transforma uma forma de energia

para fins de medida.

Existe sempre uma confusão entre sensores e transdutores, porém por definição

o transdutor é o sistema por inteiro, que produz um sinal devidamente proporcional à

grandeza física que esta sendo medida. Por outro lado o sensor é apenas a parte do

transdutor que “sente” a grandeza física a ser medida pelo transdutor.

O transdutor tem como finalidade:

• Detectar a presença, a mudança, a amplitude ou a freqüência de uma

determinada medida;

• Providenciar na saída um sinal elétrico, quando convenientemente processado e

aplicado a um aparelho de medida que nos permite quantificar o elemento

medido. Esse elemento pode ser uma quantidade, uma propriedade ou uma

condição que o transdutor transforma num sinal elétrico.

2.3.1 Características dos Transdutores

Na escolha de um transdutor é necessário observar alguns aspectos que podem

ser de grande relevância no desenvolvimento de um projeto. Estes aspectos estão

descritos abaixo de forma um pouco mais detalhada.

• Faixa

Representa os níveis de amplitude do sinal de entrada, sinal o qual o transdutor

deve operar.

• Resolução

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Pode ser definida como o menor incremento do sinal de entrada que pode ser

sensível e consequentemente medido pelo instrumento.

• Sensibilidade

O transdutor deve ser suficientemente sensível para permitir uma saída

razoavelmente detectável

• Linearidade

O objetivo de uma curva de resposta de um transdutor é que ela seja o mais

próxima de uma reta, configurando assim a linearidade do transdutor.

• Exatidão ou Erro

Todo instrumento apresenta uma exatidão que seria definida pela diferença

absoluta entre o valor real da medida e o valor que o instrumento indica

• Precisão ou Repetibilidade

É a capacidade do instrumento de se obter o mesmo valor várias vezes pelo

mesmo instrumento, sendo dado pelo padrão das medidas efetuadas de um mesmo

valor.

• Relação Sinal/Ruído

É definida pela relação entre a potência de um sinal que esta sendo indicado na

saída e a potência do sinal de ruído como sinal entrante.

• Estabilidade

Define-se estabilidade pela capacidade do instrumento em retornar a uma

situação permanente depois de receber um sinal qualquer.

• Resposta de Freqüência

É a faixa definida do espectro que determinado equipamento pode reproduzir.

2.4 Acelerômetro

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Um acelerômetro é um transdutor que converte uma aceleração aplicada sobre

ele em uma grandeza elétrica. A grandeza utilizada para representação é "g", que é em

função da gravidade da Terra, ou seja, 1g é aproximadamente 9,8m/s2. Esta unidade

(g) oferece uma noção mais intuitiva da grandeza das acelerações.

Existem três tipos de acelerômetros:

Acelerômetro Mecânico;

Acelerômetro Eletromecânico;

Acelerômetro Piezoelétricos

No projeto foi utilizado o Eletromecânico

2.4.1 Acelerômetro Eletromecânico

Ele baseia-se em uma massa m que sofre uma força F devido a aceleração F =

m.a. O sistema e composto por um galvanômetro de ferro móvel com um pêndulo em

lugar de ponteiro. No pêndulo esta presa a massa m e próximo a extremidade há um

sensor capacitivo que monitora a posição x da massa. A Figura 10 demonstra o

princípio de funcionamento desse transdutor:

Figura 5 – Acelerometro eletromecânico Na pratica a massa é uma barra de silicone, e a mola são as ligações flexíveis

atadas às âncoras. Nestas células, o deslocamento da massa é proporcional à

aceleração à qual o sistema está submetido, conforme a figura4.

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Figura 6 - Acelerômetro Eletromecânico

No projeto foi utilizado o acelerômetro ADXL203 da Analog Devices, o qual

possui as seguintes características:

• 2 eixos (x,y) • Range +- 1.7g • Sensibilidade 1000 mV/g • Saída Analógica • Max Band Width 2.5 Khz • Noise Density 110 ug/rtHz

Figura 7 – Diagrama em blocos do Acelerômetro

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2.5 Conversor AD Os sinais obtidos por sensores ou transdutores são normalmente convertidos em

grandezas elétricas analógicas, isto quer dizer que são contínuos no tempo podendo

assumir valores dentro de uma faixa, conhecida como escala.

Os computadores trabalham de uma forma digital, isto é, seus dados são

armazenados de uma forma binária com apenas dois níveis bem distintos de estados.

Para que um sinal analógico seja trabalhado em um sistema computacional é

necessário um processo de conversão onde o sinal e amostrado e comparado com um

valor binário dentro de certa escala permitindo desta forma uma aproximação.

No projeto foi utilizado o ADC0808, o qual e um circuito integrado fabricado pela

National Semiconductors, que possui as seguintes características:

• - 8 entradas de sinal;

• - Seleção de entrada a ser convertida via endereços;

• - Definição de referencia Positiva e Negativa;

• - Sinais de comunicação com microcontroladores como: Output Enable, End of

Conversion e Start.

Figura 8 – Diagrama em blocos do Conversor A/D

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2.6 Microcontrolador Um microcontrolador é um dispositivo utilizado para controlar e monitorar

funções durante um processo.

A partir do advento dos circuitos integrados TTL, pode-se delinear três gerações

no que diz respeito à implementação de controladores.

Na primeira geração estão os projetos envolvendo circuitos integrados TTL, na

sua maioria. O alto consumo de energia, a grande quantidade de chips envolvidos e a

dificuldade em se realizar reengenharia tornaram a segunda geração atraente aos

projetistas.

O advento dos microprocessadores tornou versátil o projeto de circuitos

destinados ao controle é a segunda geração de controladores. Boa parte das funções,

antes implementadas por hardware, passou a ser implementadas por software.

A terceira geração veio para integrar em um único chip boa parte dessa

estrutura. Microcontroladores integram as funções de um microprocessador, memória

de dados e de instruções e ainda, dependendo da complexidade, portas seriais e

paralelas bidirecionais, conversores A/D, timers, watchdog e outros.

2.6.1 Microcontrolador 8051

O microcontrolador 8051 pode incorporar memória de programa e dados

internamente com a possibilidade de expansão de até 64K bytes de programa e mais

64Kbytes de dados. Permite o acesso a portas internas e I/O, canal de comunicação

UART full duplex, interrupções com estrutura nesting com 5 fontes mascaráveis e dois

níveis de prioridade, timers/counters de 16 bits, oscilador interno, freqüência de clock

típica de 12MHz.

A família MSC-51 permite facilidades de software que permitem a execução de

complexas operações aritméticas e lógicas (multiplicação, divisão, permita e

deslocamento de bits, etc.). Esta família trabalha com bancos de registradores

nominais e também com bits endereçáveis na RAM. Na figura 9 pode-se observar a

pinagem do microcontrolador 8031.

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Figura 9 – Pinagem do Microcontrolador

Normalmente o 8051 possui as seguintes características:

• CPU de 8-bits otimizada para aplicações de controle

• Processamento Boleando Amplo

• Espaço de endereçamento de Memória de Programa de 64K

• Espaço de endereçamento de Memória de Dados de 64K

• 4K bytes de Memória de Programa (ROM)

• 128 bytes de RAM de Dados

• 32 linhas de I/O programáveis

• Dois contadores/timers de 16-bits

• UART Full duplex

• Estrutura de interrupção com dois níveis de prioridade

• Oscilador de relógio

Para o desenvolvimento do projeto foi escolhido o Microcontrolador 8031 por

este atender de forma adequada os requisitos necessários para o desenvolvimento do

projeto. Uma das principais vantagens é o custo do CI e a facilidade de encontrá-lo no

mercado.

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2.6.1.1 Pinagem do 8051 e suas funções

• Port P0: Porta de propósito geral se não utilizar memória externa de nenhuma

espécie. È uma porta de utilização como via multiplexada no tempo, entre dados

e endereços (só os endereços menos significativos) quando utilizamos memória

externa. No mesmo barramento, em determinado tempo, apresentam-se dados

e em outro tempo, endereços.

• Port P1: Porta de propósito geral como I/O. São oito vias de comunicação de

propósito geral.

• Port P2: Porta de propósito geral, se não utilizar nenhuma memória

RAM/ROM/EPROM externa.

• Port P3: Porta de propósito geral de I/O, isso se não for utilizado nenhum

periférico, interrupção ou memória RAM, externa ao chip. Essa porta é utilizável

como interface entre os periféricos internos do chip para fora do mesmo, além

de ter entradas programáveis, como interrupção e dois pinos que gerenciam

uma memória Ram externa (pinos de Read – RD e Write – WR).

• ALE (Address Latch Enable): Ligado a um latch, permite demultiplexar

externamente os dados e endereços no tempo, separando assim as

interrupções. Ele é automaticamente gerenciado pelo microprocessador.

• EA (External Acces): è um pino de comando externo, que determina se vai ser

utilizada memória ROM/EPROM interna do chip ou memória ROM/EPROM

externa ao chip.

• PSEN: Ele aciona a EPROM externa quando o microcontrolador vai fazer uma

busca de instrução na ROM, para executá-la. E controlado automaticamente

pelo microcontrolador.

• RST (Reset): Este pino inicializa a memória do programa. Para ocorrer o reset,

esse pino deve permanecer no nível alto por no mínimo dois ciclos de máquina.

• INT0/INT1: São pinos físicos de interrupção.

• T0/T1: Pinos de interrupção interna gerada pelo Timer/Counter, podendo ser

usado como contador de eventos externo ou temporizador interno.

• TXD/RXD: São pinos físicos usados para transmissão e recepção serial.

• VDD: Pino de alimentação Positiva (+5V)

• VSS: Pino de terra (0V)

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2.6.1.2 Modos de operação

• Modo Mínimo: Nesse modo são utilizados somente recursos internos pela CPU.

Neste modo, estão disponíveis 4KB de ROM para memória de programa e 128

bytes de RAM para memória de dados. O modo mínimo possui a vantagem de

poder utilizar as quatro portas de 8bits cada para controle (I/O), além da

economia de espaço físico.

• Modo Expandido: Neste modo, a memória de programa (ROM), a memória de

dados (RAM) ou ambas podem ser expandidas para 64KB, com uso de CIs

externos. No entanto, apresenta a desvantagem de “perder” duas das quatro

portas para comunicação com as memórias externas. A figura 10 apresenta o

diagrama esquemático do modo expandido.

Figura 10 – Modo Expandido com RAM e ROM

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2.6.1.3 Interface Serial no 8051

No 8051, a interface serial é do tipo Full-Duplex. Isto significa que o

microcontrolador pode receber e transmitir dados simultaneamente, sendo que para tal

existe um registro especial para este fim. Este registro chama-se SBUF (Serial Buffer) e

uma escrita no mesmo implica em automática transmissão do dado escrito, assim

como um dado que chegue ao pino de recepção, independente do controle do usuário

(desde que o canal serial esteja habilitado e corretamente ajustado).

Existem na realidade, dois registros com o mesmo nome SBUF. Sendo um para

recepção e outro para transmissão. O reconhecimento é feito pelo sistema através das

instruções que acessarão o mesmo.

2.6.1.4 Comunicação RS-232 para o 8051

Na implementação do projeto foi necessário efetuar as comunicações com o PC

e com o ROBO através do padrão RS-232 ao invés de níveis TTL presentes nos pinos

do chip.

A comunicação RS-232 nasceu da necessidade de criar um padrão para a

comunicação serial, através da definição de níveis de tensão e de impedância para a

transmissão de dados, permitindo que equipamentos incompatíveis entre si pudessem

ser interligados.

Para que a comunicação possa ser efetuada entre o PC e o microcontrolador

será necessária a transformação do padrão TTL (natural ao microcontrolador) para o

padrão RS-232 (padrão do PC).

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2.6.1.5 Vantagens do 8051

- Popular: prontamente disponível e amplo suporte. Gama completa de produtos de

suporte está disponível gratuita e comercialmente.

- Rápido e eficaz: a arquitetura se correlaciona de perto com o problema sendo

solucionados (sistemas de controle). Instruções especializadas significam que menos

bytes precisam ser buscados e menos jumps condicionais são processados.

- Baixo custo: alto nível de integração do sistema em um único componente. Poucos

componentes são necessários para se criar um sistema que funcione.

- Ampla gama de produtos: uma única família de microcontroladores cobre as opções

que outros fornecedores só conseguem cobrir com um número razoável de diferentes e

incompatíveis famílias. Desse modo, o 8051 proporciona economia real em termos de

custo de ferramentas, treinamento e suporte para software.

- Compatibilidade: opcodes e código binário são os mesmos para todas as variações

do 8051, diferente de outras famílias de microcontroladores.

- Multi-Sourced: mais de 12 fabricantes, centenas de variedades.

- Aperfeiçoamentos constantes: melhorias na manufatura aumentam a velocidade e

potência anualmente. Há ainda versões de 16bits vindo de diversos fabricantes.

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3. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA Neste capítulo serão apresentados os itens que descreverão o projeto de um

modo amplo, sem entrar nos aspectos detalhados da implementação. A especificação

tem por objetivo, parametrizar o projeto de modo que haja uma definição clara do que

será desenvolvido. As partes componentes serão divididas basicamente em seis sub-

partes: representação de hardware, representação de software, infra-estrutura

necessária, custos do projeto, módulos adicionais e por fim o cronograma As duas

primeiras descrevem o que será desenvolvido em hardware e software. A terceira parte

descreve a infra-estrutura necessária para o desenvolvimento do projeto, confecção e

testes do sistema. A quarta parte descreve o planejamento de custos do projeto. Tal

planejamento inclui o custo dos componentes, horas técnicas aplicadas no

desenvolvimento do hardware e software e dos testes A quinta parte descreve os

módulos adicionais que poderão vir a ser desenvolvidos. A última parte demonstra o

cronograma, que visa a definir datas e prazos para a execução do trabalho.

3.1 Especificação do hardware Esta representação tem como objetivo, ilustrar, de forma ampla, como será o

diagrama em blocos do circuito, ou hardware do projeto.

Figura 11 Diagrama em blocos do hardware

Joystick Acelerômetro e

Botões

Circuito

Analógico

Circuito Digital

Circuito de Alimentação

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3.1.1 Especificação do Joystick O Joystick possui um acelerômetro bidirecional com duas saídas analógicas ( x e

y ) localizado no meio do manche para determinar as direções, e cinco botões (push -

buttons) para movimentação das junções. Ele é do tipo alavanca como mostra a figura

12.

Figura 12 - Modelo de Joystick a ser utilizado

A comunicação entre o joystick e o PC é feita utilizando a interface USB. Para

tanto, é utilizado um conversor Serial-USB. A ligação dos eixos e dos botões com o

sistema ocorre por meio de um conversor A/D. O conversor utilizado (ADC0808)

disponibiliza oito canais para conversão, que são ocupados, respectivamente:

- Canal 0: Eixo x principal;

- Canal 1: Eixo y principal;

- Canal 2: Botão 1

- Canal 3: Botão 2

- Canal 4: Botão 3

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- Canal 5: Botão 4

- Canal 6: Botão 5

- Canal 7: Botão 6

- Canal 8: Disponível – Não utilizado

Cada canal é convertido para o formato digital individualmente e seu valor é

avaliado conforme o firmware do microcontrolador 8031. Os botões são ligados

diretamente no microcontrolador, pois só fornecem dois níveis de tensão 5V ou 0V.

Com relação aos movimentos possíveis para o robô, o joystick foi configurado da

seguinte maneira:

Figura13 – Botões do Joystick

• Botão 1: abre ou fecha a garra;

• Botão 2: enter, stop nos motores;

• Botão 3: rotaciona pulso para esquerda;

• Botão 4 :rotaciona pulso para direita;

• Botão 5 : seleciona o motor que ira movimentar para frente e traz;

• Eixo principal x: indica o sentido do movimento horizontal selecionado;

• Eixo principal y: indica o sentido do movimento vertical selecionado.

O joystick permite total flexibilidade e controle do braço robô. Ele permite uma

movimentação de 360º, porém, no projeto, ele ficou limitado a quatro direções

principais: frente, traz, direita e esquerda. No entanto, o sistema de calibração

(Software) pode ser adaptado para que o joystick responda a todas as direções

possíveis. O reconhecimento das direções e do acionamento dos botões ocorre em

tempo real, sendo imperceptível o tempo gasto no processamento pelo software.

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3.1.2 Conversão A/D

Os cinco botões e os dois canais do acelerômetro são convertidos no conversor

A/D. São utilizadas sete entradas do ADC0808. A figura 14 ilustra o sistema baixo de

conversão, onde os sinais do joystick entram no módulo analógico onde é realizada a

filtragem básica em hardware do sinal, e posteriormente enviada para o circuito digital

(microcontrolador) que faz o processamento do sinal.

Figura 14 – Processo de conversão do sinal

3.1.3 Funções do Hardware O hardware é totalmente autônomo, ou seja, não há nenhuma função a ser

configurada no mesmo. Toda a configuração do sistema é feita através do software no

PC. A única função do hardware é aquisicionar os dados provenientes do joystick e

envia-los ao PC.

3.1.4 Sinal do acelerometro e botões Para fazer a aquisição do sinal do acelerômetro, utiliza-se o principio de

inclinometro, onde o sinal capturado é dado pela inclinação do acelerômetro. Isso

ocorre para os dois canais do acelerômetro. Já os sinais provenientes dos botões são

analisados conforme o nível lógico que pode ser +VCC ou GND.

3.1.5 Componentes utilizados

• Acelerômetro ADXL 203; • Conversor analógico / digital ADC0808; • Microcontrolador 80C31; • Placa PCI; • Resistores, capacitores.

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3.1.6 Diagrama em blocos com descrição

Figura 15 – Diagrama em blocos com descrição

Aquisição: A aquisição do sinal que determina a posição da alavanca é feita pelo

acelerômetro ADXL 203 da Analog Devices, que possui +.1.7g de range de medição.

Os botões fazem à aquisição dos níveis de tensão, GND ou +VCC.

Conversão Analógico / Digital: A conversão analógico / digital é feita pelo circuito

integrado ADC0808 [National, 1997] que possui 8 bits de resolução e 8 entradas

analógicas, mas são usadas apenas 7 entradas, endereçadas pelo microcontrolador de

forma a fazer a aquisição dos sinais para o processamento.

Processamento e comunicação: O processamento e comunicação do sistema com o

computador, são feitos pelo microcontrolador 80C31 [Intel, 1995] que possui a

arquitetura 8051, não possui memória de programa interna e a memória de dados é

restrita aos registradores internos. Portanto é utilizado um kit, composto por

microcontrolador 8031, memória EPROM e memória Ram. O microcontrolador faz a

aquisição dos sete sinais referentes à medição dos acelerômetros e dos botões.

A comunicação com o computador é feita através da porta serial. Na saída da

porta serial é ligada um conversor Serial-USB.

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3.1.7 Ambiente de desenvolvimento O ambiente utilizado para a programação do microcontrolador 8031, em

linguagem C, é o Keil.

Para o desenho do diagrama esquemático do circuito é utilizado o Software

Orcad Capture.

3.2 Especificação de Software Neste capítulo são apresentados os fluxogramas, estimativas de custo, bem

como um Cronograma detalhado do projeto.

3.2.1 Linguagem e ferramenta de desenvolvimento A linguagem de programação escolhida para o desenvolvimento do software é a

linguagem C++, utilizando o Borland C++ Builder 6 como ambiente de programação e

criação da interface gráfica para interação do usuário com o sistema.

3.2.2 Fluxograma com descrição As funções que o software possui, inicialmente, são:

• Calibração do Joystick;

• Visualização do status dos botões

• Valores lidos do acelerômetro

• Comunicação com o sistema

• Comunicação com o Robô

Figura 16 – Fluxograma básico do software

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3.3 Estimativa de Investimento A maioria dos recursos necessários para o desenvolvimento do projeto já estavam

disponíveis no Campus do UNICENP, principalmente, os softwares necessários. Todos os

componentes de hardware tiveram que ser adquiridos, a maioria foi comprada no Brasil,

com exceção do acelerômetro que teve que ser importado dos Estados Unidos. Os

recursos utilizados foram:

• Microcomputador PC;

• Ambiente de desenvolvimento para linguagem C++ (Borland C++ Builder 6);

• Ambiente de desenvolvimento para programação em C do Microcontrolador

8051(Keil);

• Orcad 9.2;

• Componentes eletrônicos;

• Placa de circuito impresso;

• Osciloscópio;

• Multímetro;

• Protoboard;

• Fonte;

• Alicates, Fios;

• Interface de comunicação USB.

3.3.1 Custos 3.3.1.1 Equipamentos

Nos custos não consta o valor do robô, porque o projeto se limita somente à

construção do joystick e da interface. O robô é fabricado pela ED-Laboratories e seu

custo atual é aproximadamente U$ 20.000. O custo em material para o

desenvolvimento do sistema foi relativamente baixo, muito abaixo do valor estimado no

inicio do projeto. Esta redução foi possível, graças a otimizações de hardware que

ocorreram durante a fase de desenvolvimento. Outro fator que ajudou a diminuir o

custo foi que grande parte dos recursos necessários estavam disponíveis no campus

do UNICENP.

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3.3.1.2 Descrição dos itens utilizados no projeto:

- Kit 8031 R$ 40,00

- Joystick Analógico R$25,00

- Kit Conversão A/D R$ 30.00

- Placa Padrão, Cabos e Conectores R$ 50,00

- Acelerômetro R$ 30,00

- Caixa de PVC R$ 10,00

Custo total de equipamentos do projeto: R$ 185,00

3.3.1.3 Mão de Obra

O custo da mão de obra no projeto será calculado sobre a quantidade de horas

trabalhadas ao valor de R$ 20,00 a hora. No desenvolvimento do projeto foram gastas

em torno de 300Hs. Com isso estima-se que o custo total de mão de obra seja de R$

6.000,00 (Seis mil reais).

3.3.1.4 Custos de Equipamentos e Softwares

• Acelerômetro – ADXL 203 Sample (US12,00)

• Componentes de Hardware Nacionais (R$185,00)

• Plataforma de desenvolvimento C++ Builder 6.0 (R$ 2600,00)

• Plataforma de desenvolvimento OrCAD 9.2 (U$ 12000,00)

• Equipamentos de laboratório (Osciloscópio, Fonte, Multímetro...) (U$ 25000)

• Computador (R$2500,00)

• Recursos de Mão de Obra (R$6000,00)

• Custo estimado para a produção de um protótipo (R$ 500,00)

3.3.1.5 Custo Total

O Custo total do projeto, somando equipamentos e mão de obra é de

R$6.185,00. Esse valor não leva em consideração os equipamentos utilizados no

UNICENP.

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3.4 Módulos Adicionais

Como módulos adicionais para esse projeto, existem algumas idéias que podem

ser desenvolvidas sem grandes dificuldades, as quais só não foram realizadas devido à

restrição de tempo para entrega do projeto.

• Comunicação direta da interface do joystick com o MK4-Controler;

• Opção de gravação de movimentos, desenvolvida em hardware;

• Calibração do joystick efetuada diretamente no hardware.

• Implementação de um Modulo LCD na interface, para mostrar o status do

sistema e fazer a interação do usuário com o sistema.

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3.5 Cronograma

Figura 17 - Cronograma do Projeto

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4. PROJETO

Neste capítulo , são mostradas algumas características do projeto, bem como uma

introdução ao seu tema, a motivação para que este seja realizado, trazendo consigo seus

benefícios sociais, as metas que deverão ser alcançadas com o desenvolvimento do

mesmo.

4.1 Descrição do Tema

O Joystick para controle do Braço Mecânico ED-7220, tem como principal

objetivo, um sistema completo de hardware e software para o controle do Braço

Mecânico, provendo todos os movimentos possíveis para o mesmo. Nesse projeto foi

desenvolvido o joystick, o Hardware para controle do mesmo e o software de controle

e calibração do joystick.

4.2 Motivação do Desenvolvimento

O Braço Mecânico ED-7220, não possui um joystick para seu controle, ele só

possui o hardware Teach Pendant o qual possui um controle complicado, e

disfuncional. Em razão disso, o joystick servirá para suprir essa necessidade.

4.3 Metas a serem alcançadas

O Joystick deve fornecer todos os movimentos possíveis do robô. O sistema

deve funcionar em tempo real, e não podem ocorrer falhas de comunicação entre os

módulos.

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4.4 Visão Geral

O projeto possui três partes principais e essas subdivididas em módulos

subseqüentes. As três partes são:

• Software – Sistema que roda no PC, responsável pela calibração do joystick e

envio de comandos para o MK4-Controler.

• Hardware – Joystick desenvolvido utilizando push-buttons e acelerômetros.

Interface que utiliza o microcontrolador 8051 e o conversor AD0808.

• Firmware - Responsável por fazer a aquisição e a media dos sinais do joystick.

4.5 Diagrama em Blocos do Sistema

Figura 18 – Diagrama em Blocos do Projeto

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4.6 PROJETO DE HARDWARE O hardware foi dividido em três módulos principais. Essa divisão foi necessária

para que cada módulo pudesse ser desenvolvido e testado separadamente, antes da

junção de todos os módulos.

A estrutura dos módulos ficou definida da seguinte forma:

Figura19 – Módulos do Hardware

O microcontrolador lê os valores provenientes do joystick. Os valores são lidos

do conversor A/D. Depois ele faz o pré-processamento dos dados e envia para o PC

através da interface USB. O PC por sua vez processa as informações e envia os

comandos para o MK4-Controller para a movimentação do robô pela interface serial

RS-232.

4.6.1 Descrição Detalhada O conversor A/D faz a conversão dos sinais provenientes do acelerômetro e dos

botões localizados no Joystick. Após o dado ter sido convertido ele é enviado para o

Port 1 do microcontrolador para que o mesmo efetue o processamento dos sinais. São

utilizadas sete entradas do conversor A/D. As sete entradas são lidas alternadamente

para determinar a posição onde o joystick se encontra. O firmware faz o

processamento dos movimentos e envia para o computador fazer a conversão de bits e

posteriormente acionar os servo-motores do Robô. Todo o processo ocorre em real-

time.

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4.6.2 Tabela de Sinais

Modulo IN OUT KIT8031 P1 P1, RS-232 Conversor AD IN,A0,A1,A2 D0..D7 MK4-Controler RS-232 Motor Signals PC USB RS-232

Tabela 2 - Tabela de Sinais

4.6.3 Tipo de Barramento

Origem/Destino Controle Endereços Dados Alimentação KIT8031/Conversor AD OE A0,A1,A2 D0 .. D7 5V KIT8031/PC N/A N/A RX, TX 5V PC/MK4-Controler N/A N/A RX, TX 5V MK4-Controler/ Braço Robô N/A N/A D0, D9 5V

Tabela 3 - Tipo de barramento

4.6.4 Lógica de Operação do Sinal

Origem/Destino Lógica de Operação KIT8031/Conversor AD 1 e 0 KIT8031/PC 1 e 0 PC/MK4-Controler 1 e 0 MK4-Controler/ Braço Robô 1 e 0

Tabela 4 – Lógica de Operação

4.6.5 Sinais Analógicos 4.6.6 Sinais O sistema só possui uma fonte de sinal analógico, que são os 2 canais do

acelerômetro localizado no Joystick. Esses dois sinais indicam a posição X e Y. Esses

canais irão passar pelo modulo conversor A/D para que sejam digitalizados e

posteriormente processados no microcontrolador.

4.6.7 Alimentação Referencia A Alimentação de todos os módulos é de 5V.

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4.6.8 Amplitude ou faixa A amplitude do sinal do acelerometro fica em torno de 2.2V a 3V, variando

conforme a posição. A amplitude dos demais modulo e de 0 a 5V. A interface serial

trabalha de -15V a +15V.

4.6.9 Descrição da função do Sinal É definido um valor limiar para determinar a direção. Se o valor for maior do que

o limiar ele é considerado alto, se for menor é considerado baixo.

4.6.10 Lista de Materiais.

Nesse capitulo serão listados todos os componentes utilizado no projeto, bem

como seu valor unitário.

4.6.10.1 Modulo Conversor A/D Quantidade Componente 1 74LS393 1 74LS04 1 ADC0808 1 Cristal 2MHz 2 Resistor 1K 1 Barra Pinos para 29 conexões 1 Soquete 28 Pinos 2 Soquete 14 pinos 1 Conector Fonte – plug fêmea (Jack)

Tabela 5 – Componentes do Modulo Conversor A/D

4.6.10.2 Modulo KIT 8031 Quantidade Componente 1 Resistor 10K ohms 1 Resistor 220 ohms 4 Resistor 4.7K ohms 1 Resistor 100 ohms 1 Capacitor 10uF 1 Capacitor 22pF 2 Capacitor 33pF 1 Capacitor 470uF 1 Capacitor 100uF 4 Capacitor 100nF 1 1N4001 1 BC557B 1 BC547B 1 LED Vermelho 3 mm

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1 Cristal 11,059MHz 1 LM7805 1 80C31 1 Soquete 40 pinos torneado 1 74LS373 1 Soquete 20 pinos torneado 1 27C256 2 Soquete 28 pinos torneado 1 62256 1 Chave ON/OFF H-H 90º mini 1 Conector Fonte – plug fêmea 1 Plug DB9 fêmea 90º 1 Push Boton (reset) NA ou NF 1 Barra de conectores para 40 conexões

Tabela 6 – Componente do Modulo KIT-8031

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4.3 PROJETO DE SOFTWARE O software que faz a calibração do Joystick foi desenvolvido na linguagem C++

no ambiente de desenvolvimento Borland C++ Builder 6.0. O software lê o valor da

interface USB e converte em um dado valido que determina o movimento do robô. Os

comandos são enviados através da interface serial para o MK4-Controler. O Software

também lê as informações do robô, como esforço, velocidade e posição dos motores.

4.3.1 Diagramas de casos de uso

ud

Responsavel por iniciar o processo deaquisição e analise dos dados

Caso de uso responsavel por enviardados pela serial

Caso de uso responsavel pordeterminal em qual direção o joystick

se encontra

Caso de uso responsavel por analisaros dados lidos da interface serial

Caso de uso responsavel por fazeraquisição dos dados da porta serial

Usuario

Aquisicionar Dados

Porta SerialAnalisa

Determina Direções Env ia Dados

«use»

«use»

«use»

Figura 20 - Diagramas de casos de uso

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4.3.2 Diagrama de classes

Figura 21 - Diagrama de classes

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4.3.5 Interface A interface define toda e qualquer interação do usuário com o sistema. A seguir

são apresentadas as principais interfaces do software projetado.

A tela inicial do software é mostrada na figura 23. Essa e também a tela principal

do sistema, onde são exibidas diversas informações.

Figura 23 – Tela inicial do sistema

No menu esquerdo, no item sistema é mostrada a comunicação com o

Hardware. No item Robô, é mostrado a comunicação que o PC esta fazendo com o

MK4-Controler. O item status do sistema mostra qual botão está pressionado e no

campo direção é exibida a direção onde a alavanca se encontra. O botão Iniciar, aciona

o processo de analise e determinação dos movimentos, desde que o joystick esteja

calibrado. Caso o mesmo não esteja calibrado, será solicitado que a mesma seja feita.

Conforme a figura 24.

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Figura 24 – Mensagem Informando que o Joystick esta calibrado

No item console é possível fazer a interação direta com o MK4-Controller. É

possível interagir diretamente com o firmware que faz o controle dos motores, através

do protocolo próprio do hardware.

Figura 25 – Tela de configuração do sistema

Nessa tela, e feita à configuração de portas do sistema. Deve-se informar ao

software em qual porta está conectado o joystick e em qual porta está conectado o

MK4-Controler.

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4.4 PROJETO DE FIRMWARE

O firmware que roda no microcontrolador, fica em loop lendo constantemente o

valor do Port1 e processando as informações. São utilizados três pinos do Port 3 do

microcontrolador 8031 para fazer o endereçamento do conversor A/D. Esses pinos são

o P3.2, P3.3 E P3.4 respectivamente. O Firmware endereça o conversor A/D, lê o valor

do Port1 e armazena em uma variável. Isso é feito para os cinco botões.

Posteriormente, é lido o valor das duas saídas do acelerômetro. Porém, para garantir

que não seja capturado nenhum ruído, é feita uma amostra de 100 valores e

posteriormente é calculada a média desses 100 valores. Isso ocorre para os dois

canais (x e y). Após isso as duas médias são gravadas em variáveis temporárias. No

final do processo o valor dos cinco botões e das duas médias é enviado através da

interface serial para o PC.

4.4.1 Diagrama de Estados

Figura 26 – Diagrama de Estados do Firmware

LLÊÊ VVAALLOORREESS

IINNIICCIIOO

EENNVVIIAA PPAARRAA OO PPCC

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4.4.2 Fluxograma do Firmware

Figura 27 – Fluxograma do Firmware

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4.4.3 COMUNICAÇÃO SERIAL O Braço Robô trabalha com transmissão de 7 bits de dados. O 8031 trabalha

com 8 bits de dados. Em razão disso não foi possível fazer a comunicação direta entre

o microcontrolador e o MK4-Controler. Na transmissão para o robô, o MK-4 Controler

utiliza um Baud Rate de 9600 bauds, 1 bit de start, 7 bits de dados, paridade ímpar e 2

bits de stop, totalizando 11 bits.

start data data data data data data data data stop stop

Figura 28 – Pacote de transmissão serial 1

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5. DESENVOLVIMENTO

Nesta etapa, serão discutidos todos os aspectos referentes ao desenvolvimento

do que foi especificado na fase de projeto. A implementação do projeto ocorreu de

maneira modular, onde, em uma primeira instância o modulo de hardware foi concluído

e posteriormente, o módulo de software.

5.1 Desenvolvimento do módulo de Hardware A implementação do Hardware pode ser sub-dividida em 3 partes, sendo elas:

• Aquisição de dados do Acelerômetro e dos botões; • Processamento do sinal; • Envio dos dados para o PC.

5.1.1 Aquisição de dados do acelerômetro

O acelerômetro usado, como mencionado anteriormente, foi o ADXL-203 da

Analog Devices. Esse acelerômetro foi posicionado no interior do manche do joystick,

em uma posição na qual pudessem ser capturados os movimentos em um ângulo

conveniente para o funcionamento do sistema. A figura 29 mostra o acelerômetro

posicionado no interior do Joystick.

Figura 29 – Local onde o acelerometro esta posicionado

ACELERÔMETRO

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Os botões enviam para o conversor A/D somente dois níveis: Alto (+5V) e Baixo

(GND). São cinco botões ligados ao conversor A/D, como mostra a figura 30:

Figura 30 – Acelerômetros e Botões ligados no Conversor A/D

Nas duas saídas analógicas do ADXL, foram ligados em paralelo um capacitor

de 1uf para o terra. Isso foi necessário devido a ruídos que estavam ocorrendo na

saída, fazendo com que o sinal ficasse distorcido. Com a adição do capacitor na saída

do acelerômetro, o sinal ficou com uma resposta muito próxima do ideal. Foram

utilizadas sete entradas do conversor A/D. A Entrada oito ficou disponível para um

futuro botão de comando que possa vir a ser implementado. Para efetuar o

endereçamento do conversor A/D foram utilizados os pinos P3.2, P3,4 e P3,5 do

microcontrolador 8031, como mostra a figura 31.

Para fazer a conexão do microcontrolador com o conversor A/D e os sinais do

acelerômetro, foi desenvolvida uma placa padrão, que tem como objetivo fazer a

conexão entre os módulos.

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Figura 31 – Pinos utilizados para fazer o endereçamento do Conversor

5.1.2 Processamento do Sinal

A saída do conversor A/D é ligada diretamente ao Port1 do microcontrolador

8031, como mostra a figura 32. O barramento é de 8 bits, e os dados são enviados

paralelamente. Como o clock utilizado no microcontrolador foi de 12Mhz, a velocidade

do processamento ficou extremamente rápida.

8031

2930

40

31

1918

9

3938373635343332

12345678

2122232425262728

1011121314151617

PSENALE

VCC

EA

X1X2

RST

P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7

P2.0/A8P2.1/A9

P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15

P3.0/RXDP3.1/TXD

P3.2/INT0P3.3/INT1

P3.4/T0P3.5/T1

P3.6/WRP3.7/RD

ADC0808

10

9

7

171415818192021

6

22

11

1216

262728

12345

252423

CLK

OE

EOC

D0D1D2D3D4D5D6D7

START

ALE

VCC

REF+REF-

IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7

A0A1A2

Figura 32 – Ligação do conversor A/D e do 8031

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5.1.3 Envio dos dados para o PC

A comunicação entre o KIT 8031 e o PC, ocorre através da interface USB.

Inicialmente no projeto tentou-se utilizar o CI TUSB3410, porém devido a vários

problemas encontrados, optou-se por utilizar um conversor comercial da Clone. O

conversor SERIAL-USB da Clone, mostrou-se muito mais estável do que o TUSB 3410.

O microcontrolador roda o firmware, que faz a varredura do status dos botões e

a posição do acelerometro. O status dos cinco botões e os dois canais do acelerômetro

são enviados para a porta USB do PC.

Foi desenvolvido um protocolo de baixo nível para o envio de dados pela porta

serial. Isso se mostrou necessário para garantir que os dados lidos pelo software

fossem válidos. O protocolo foi definido da seguinte maneira:

@ B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 @ # Ax # # Ay #

Figura 33 – Protocolo de comunicação

O protocolo se inicia, enviando um caractere “@” como sento o start bit. Em

seguida, são enviados os cinco valores dos botões seguidos por um “@” para

determinar o fim dos botões. Após é enviado um caractere “#” e em seguida o primeiro

canal lido do acelerômetro” o mesmo ocorre para o segundo canal do acelerômetro.

Se o botão estiver pressionado o valor do botão é 0, caso não esteja

pressionado o valor é 1. O firmware converte o sinal DC dos canais do acelerômetro

em um valor decimal que varia de 0 a 255.

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5.2 Desenvolvimento do módulo de Software

A implementação do software foi divida em etapas para que os módulos

pudessem ser testados independentemente. Os módulos do software ficaram divididos

da seguinte forma:

• Leitura dos valores da porta USB

• Calibração do joystick

• Determinação dos movimentos

• Envio de comandos para o braço-robo

5.2.1 Leitura dos valores da USB O software no PC faz a leitura do pacote enviado pelo firmware, para poder

determinar as direções e o status dos botões. Ele lê cada caracter individualmente e

no final tem-se uma string com o status dos cinco botões mais o valor do acelerômetro.

A string fica composta da seguinte forma:

B1,B2,B3,B4,B5,Ax,Ay

Onde: Bn correspondem aos botões e An, correspondem as saídas x e y do

acelerômetro.

5.2.1 Calibração do Joystick Antes de o software enviar comandos para o robô, obrigatoriamente deve ser

feita a calibração do Joystick. Isso é necessário, devido à resposta do acelerômetro

variar bastante em razão da gravidade no ambiente. Não e possível enviar comandos

para o robô sem que o sistema esteja calibrado.

O processo de calibração funciona da seguinte forma. O sistema coleta 100

amostras em cada posição. Esses valores ficam armazenados em um vetor temporário.

Esse vetor é passado para um método que faz a analise do vetor em busca do maior e

do menor valor. O maior e menor valor encontrado é passado para as variáveis que

determinam o range do acelerometro naquela posição. Isso ocorre para os dois canais

do acelerometro e para as quatro direções: frente ,traz, direita e esquerda.

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5.2.2 Determinação dos Movimentos

Após o sistema já estar calibrado, a rotina que faz a leitura da porta USB é

inicializada, e ela passa a string lida para o método que reconhece os movimentos.

Esse método pega os dois valores do acelerômetro e faz as comparações para ver em

qual range ele se enquadra.

5.2.3 Envio de comandos para o braço-robo

Nessa etapa, o reconhecimento já foi feito. Sendo assim o sistema envia pela

interface serial os comandos para o robô. Se o joystick estiver posicionado para frente,

o sistema chama o comando EnviaFraseRobo(“Frente”). Isso ocorre para as demais

posições, onde só se altera o parâmetro passado para o método EnviaFraseRobo().

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6 RESULTADOS Os testes foram realizados em três etapas. Na primeira etapa foi testado o joystick

separadamente. Isso foi necessário para determinar o range de atuação do acelerômetro.

Após isso, foi feito à conexão do joystick ao modulo de hardware, o qual fazia o

processamento dos sinais provenientes do joystick e enviava para o PC. Por último o

software que roda no PC, faz o processamento e interpretação dos sinais provenientes do

modulo de hardware e os converte e um comando válido para o acionamento do braço

robô.

O sistema mostrou-se bastante estável. Todos os comandos básicos são

reconhecidos pelo sistema. A resposta do software ficou dentro dos padrões esperados

e a sensibilidade do joystick atendeu todas as expectativas.

Para validar o sistema, foi desenvolvida uma bateria de testes nas quais todas

as direções do joystick foram testadas, e todas enviaram o comando corretamente para

o braço-robô.

Foi desenvolvido uma caixa para acomodar a placa com o microcontrolador, o

conversor A/D e os demais componentes do hardware como mostra a figura 34.

Figura 34 – Caixa desenvolvida para acomodar os módulos de hardware

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Na figura 35, tem-se uma visão da caixa aberta, acomodando os módulos de

hardware. Já a figura 36, mostra o joystick desenvolvido no projeto. Graças à utilização de

placas padrões, o sistema ficou relativamente compacto.

Figura 35 – Vista Interna da caixa

Figura 36 – Joystick desenvolvido no projeto

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7 CONCLUSÃO O sistema demonstrou ser eficaz no reconhecimento das direções e envio dos

comandos para o braço-robô. O uso de um acelerômetro, como sendo o sensor que

fornece as direções, tornou o projeto mais flexível, onde o joystick não precisa

necessariamente estar apoiado a uma base fixa para que o sistema funcione.

No projeto inicial, previa-se uma utilização de mais componentes, e uma maior

complexidade no desenvolvimento do projeto. Entretanto, com o desenvolver do

projeto, foram feitas otimizações no hardware e no software para torná-los menos

complexos.

Melhorias ainda podem ser implementadas nesse projeto, como o

desenvolvimento de um módulo embarcado para fazer todo o processamento e envio

de comandos para o robô, sem a necessidade de se utilizar o computador para fazer a

conversão dos dados e gerenciamento da comunicação. Mais direções podem ser

reconhecidas e o sistema pode vir a ter uma resposta ainda mais rápida, com a

utilização de um microcontrolador com mais capacidade de processamento.

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8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ED Laboratory. Robot Trainer with ED-MK4: command set manual. ED-7220C. [2] ED Laboratory. Robot Trainer with ED-MK4: instruction manual. ED-7220C. [3] Schultz, T.S , C and the 8051: hardware, modular programming and multitasking”, vol. I, 2ªEedição, Prentice Hall, 1998. [4]. Huang, H, Using the MCS-51 Microcontroller, Oxford, 2000. [5] Datasheet do acelerometro ADXL 203. www.analogdevices.com [6] Silva Jr., Vidal Pereira, Aplicações Práticas do Microcontrolador 8051: Teoria Geral Detalhada,São Paulo, Érica, 1998. [7] Apostila de Microcontroladores. Curso Engenharia da Computação. Unicenp. Disciplina: Microcontroladores, 2003, Autor: Edson Ferlin. [8] PORTA SERIAL [ONLINE] URL: www.rogercom.com, Página visualizada em 07/09/2005 – 20:00

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ANEXO I – DIAGRAMA ESQUEMATICO KIT 8051

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ANEXO II – DIAGRAMA ESQUEMATICO MODULO CONVERSOR A/D

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ANEXO III – ARTIGO TÉCNICO ANEXO IV – MANUAL TÉCNICO ANEXO IV – MANUAL DO USUARIO ANEXO IV – DATASHEET DOS COMPONENTES