protÓtipo de um manipulador

7/22/2019 PROTTIPO DE UM MANIPULADOR

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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJA

CENTRO DE CINCIAS TECNOLGICAS DA TERRA E DO MAR

CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAO

PROJETO DE UM PROTTIPO DE UM MANIPULADOR

TELEOPERADO


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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJA

CENTRO DE CINCIAS TECNOLGICAS DA TERRA E DO MAR

CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAO

PROJETO DE UM PROTTIPO DE UM MANIPULADOR

TELEOPERADO


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DEDICATRIA

Dedico meu esforo no s a este trabalho aqual lhes apresento, mas tambm a toda minhagraduao, primeiramente aos meus pais, osenhor Gentil Antonio Alves Martins e a


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AGRADECIMENTOS

Aos familiares, namorada, e amigos que sempre me apoiaram e confiaram em minha

capacidade, tiveram pacincia e compreenso comigo durante esse perodo, aos colegas do curso,

pela troca de experincias. Agradeo e em especial ao professor Henrique Simas pela excelente

orientao, e aos professores Paulo Roberto Valim e Anita Fernandes pelo apoio fornecido

durante a execuo do projeto e aos professores Rafael Cancian e Raimundo Teive pelas

observaes construtivas ao meu trabalho.


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SUMRIO

LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................. VILISTA DE FIGURAS ..........................................................................VII

LISTA DE EQUAES........................................................................ ixRESUMO ................................................................................................. xABSTRACT ............................................................................................ xi1 INTRODUO ....................................................................................11.1 APRESENTAO..........................................................................................11.2 OBJETIVOS....................................................................................................2

1.2.1 OBJETIVO GERAL ........................................................................................................ ........ 21.2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS.................................................................................................. 21.3 ESCOPO E DELIMITAO DO TRABALHO...........................................21.4 RESULTADOS ESPERADOS .......................................................................31.5 JUSTIFICATIVA............................................................................................31.6 METODOLOGIA ...........................................................................................42 FUNDAMENTAO TERICA ......................................................5


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3.4 MONTAGEM DA PONTE H .......................................................................293.5 SISTEMA DE CONTROLE..........................................................................323.6 CONCLUSO ................................................................................................344 RESULTADOS ...................................................................................354.1 INTERFACE DE CONDICIONAMENTO DE SINAL ANALGICO .....35

4.2 CONVERSO ANALGICO/DIGITAL ....................................................364.3 SINAL PWM ..................................................................................................374.4 MONTAGEM DA PONTE H .......................................................................404.5 SISTEMA DE CONTROLE..........................................................................414.6 INTEGRAO DO SISTEMA.....................................................................425 CONCLUSO.....................................................................................47REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.................................................48ANEXOS .................................................................................................51


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LISTA DE ABREVIATURAS

AMPOPA/DCICPPDCPIPIDPWMRIASCARATCCUNIVALI

Amplificador OperacionalAnalgico / DigitalCircuito IntegradoCapture/Compare/PWMCorrente ContnuaProporcionalIntegralProporcionalIntegralDerivativoPulse width modulationRobotic Industries AssiociationSelective Compliance Assembly Robot ArmTrabalho de Concluso de CursoUniversidade do Vale do Itaja


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Manipulador robtico SCARA. ........................................................................ 6

Figura 2: Estrutura de um brao manipulador robtico.................................................... 7

Figura 3: Junta de revoluo............................................................................................. 8

Figura 4: Junta prismtica................................................................................................. 8

Figura 5: Junta esfrica..................................................................................................... 9

Figura 6: Modelo de garra de dois dedos ....................................................................... 10

A

A

A

Figura 10: Localizao do ponto P em relao {A} e {B}.......................................... 14

Figura 11: Mapeamento Geral. ....................................................................................... 14

Figura 12: Matriz transformao homognea................................................................. 15

Figura 13: Parmetros de elo e juntas............................................................................. 16


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Figura 30: Cdigo responsvel por indicar e ler o canal desejado ................................. 37

Figura 31: Configurao do TIMER2 e dos canais PWM.............................................. 38

Figura 32: Cdigo que determina o valor da onda do PWM.......................................... 38

Figura 33:Duty_Cyclecom valor 0x00;......................................................................... 39

Figura 34:Duty_Cyclecom valor 0x40;......................................................................... 39

Figura 35:Duty_Cyclecom valor 0xBF;........................................................................ 40

Figura 36: Circuito de teste da ponte H .......................................................................... 40

Figura 37: Clculo do novo erro..................................................................................... 42

Figura 38: Gerar o sinal PWM a partir do sinal analgico ............................................. 42

Figura 39: Sensor de referncia, noduty_cycledo PWM .............................................. 43

Figura 40: Sensor de referncia, noduty_cycledo PWM .............................................. 43

Figura 41: Teste controle malha fechada........................................................................ 45

Figura 42: Tempo de resposta ........................................................................................ 45

Figura 43: Teleoperao do Manipulador escravo ......................................................... 46


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LISTA DE EQUAES

Equao 1 ....................................................................................................................... 12

Equao 2 ....................................................................................................................... 15

Equao 3 ....................................................................................................................... 15

Equao 4 ....................................................................................................................... 17

Equao 5 ....................................................................................................................... 22

Equao 6 ....................................................................................................................... 25


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RESUMO

MARTINS, Rodrigo.Projeto de um Prottipo de um Manipulador Teleoperado,

So Jos, 2008. Trabalho de Concluso de Curso (Graduao em Engenharia de

Computao)Centro de Cincias e Tecnolgicas da Terra e Mar. Universidade do

Vale do Itaja, So Jos, 2008.

Este trabalho apresenta o projeto e a construo de um manipulador tele operado de dois

graus de liberdade, controlado por microcontrolador. No microcontrolador

implementada uma estratgia de controle a qual permite a ao sobre os motores do

manipulador a partir da medio de um sensor de posio. O sistema de comando

(manipulador gerador de referncias) o manipulador construdos tm uma configurao

cinemtica do tipo SCARA, e funcionam como mestre escravo, caracterizando um

sistema tele operado. So apresentadas ao longo dos captulos a fundamentao terica,

a metodologia adotada e as fases deste projeto. Ao final so discutidos os resultados,

abordando os aspectos didticos e de aplicao do sistema desenvolvido.


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ABSTRACT

This paper presents the design and construction of a remote operated manipulator of

two degrees of freedom, controlled by microcontroller. In the microcontroller is

implemented a strategy of control which allows the action on the manipulator engine

from the measurement of a sensor position. The command system (references

manipulator generator) and the manipulator have a kinematic configuration of the type

SCARA, and act as master slave system featuring a remote operate. The chapters

content theoretical grounds, the methodology and the steps of this project. In the end,

the final results are discussed addressing the educational aspects and the

implementation of the developed system.

Keywords:Manipulator, Remote operated system, Digital control.


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1 INTRODUO

1.1 APRESENTAO

O homem sempre buscou ferramentas alternativas para facilitar e automatizar

suas tarefas, em especial aquelas que lhes causam risco sade e esforo fsico

excessivos.As primeiras aparies da robtica surgiram em 270 a.C., com o relgio de gua

com figuras mveis, projetado pelo engenheiro grego Ctesibius (OLIVEIRA, 2004). Os

estudos foram evoluindo at os dias atuais. Nesta caminhada surgem nomes de grandes

gnios da humanidade como o Leonardo da Vinci, que dedicou parte de seus projetos a

rea da robtica (OLIVEIRA, 2004).Conceitualmente um manipulador mecnico uma mquina programvel de

propsito geral. Os manipuladores so comparveis ao brao humano, quanto forma e

capacidade de movimento. Estes manipuladores executam atividades industriais

rotineiras, como pintura, montagem, carga, etc. (MACIEL & ASSIS & DORNELES,


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Neste trabalho desenvolvido um sistema de controle de um manipulador que

controlado remotamente. A estrutura que fornece os sinais a serem reproduzidos

semelhante ao manipulador a ser controlado, quando a sua estrutura, porm composta

apenas de sensores. A estrutura de referncia sempre esta prxima ao operador,

enquanto a estrutura que estiver sendo controlada esta prxima a tarefa a ser realizada.

No Captulo 2 apresentada uma pequena introduo sobre o estudo da robtica, bem

como seus percussores, alm de descrever os principais pontos de conhecimento para o

desenvolvimento deste projeto. No Captulo 3 sero descritos as etapas do

desenvolvimento, enquanto no Captulo 4 sero apresentados os resultados obtidos.

.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo geral

Desenvolver um sistema robtico tele operado utilizando um microcontrolador.

Este sistema ser composto de um manipulador mestre constitudo de sensores, e um

segundo manipulador (denominado escravo) que ser construdo utilizando atuadores e


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isto toda a eletrnica e programao desenvolvidas neste trabalho sero abertas,

possibilitando aos alunos modificarem o sistema e alterarem a forma de controle e

atuao do manipulador.

Com o desenvolvimento de dois manipuladores, pretendeu-se fazer com que o

manipulador escravo, conseguisse reproduzir os movimentos do manipulador mestre, a

partir de um sistema de controle digital.

1.4 RESULTADOS ESPERADOS

O projeto previu a construo de dois manipuladores mecnicos, com estruturas

semelhantes, lembrando que o manipulador mestre no apresenta atuadores (ex.

motores), sendo composto apenas de sensores.

O manipulador escravo por sua vez possui sensores e atuadores o que lhepermite atravs de um sistema de controle, executar os movimentos equivalentes ao

manipulador mestre, proporcionando ao sistema funcionar de forma teleoperada.


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1.6 METODOLOGIA

Para o desenvolvimento desse trabalho foi estudada a teoria bsica de sistemasrobticos identificando os principais aspectos na modelagem numrica e as estruturas

bsicas de robs e seus principais parmetros.

Dentre os parmetros dos robs manipuladores (ngulo de junta, ngulo entre

elos consecutivos, tipos de juntas e o deslocamento das juntas) foram identificadas

caractersticas como o grau de liberdade, cinemtica e a sua representao de acordocom a notao de DenavitHartenberg, que um mtodo sistemtico para descrever as

relaes de rotao e translao entre cada dois elos adjacentes.

Concludo o estudo da cinemtica foi desenvolvido um sistema de controle

digital, utilizando um microcontrolador. O sistema de controle utilizado foi um controle

de malha fechada.O sistema controlar todas as juntas presentes no manipulador de forma

independente, sendo capaz de fazer com que o atuador (motor DC - Corrente Continua),

presentes em cada junta atue separadamente.

A forma mais comum de acionamento de motores DC por meio de


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2 FUNDAMENTAO TERICA

Neste Captulo sero apresentados os conceitos principais que daro suporte para

o desenvolvimento do trabalho de concluso de curso. Inicialmente sero estudados os

manipuladores mecnicos, as estruturas de um manipulador mecnicos, a descrio de

posio e orientao de um ponto no espao, transformao homognea, cinemtica de

um manipulador, tele operao e sistema de controle digital.

2.1 MANIPULADORES MECNICOS

O advento, no Sculo XIX, de mquinas-ferramenta capazes de produzir

componentes com elevada preciso, a disponibilidade de vrias fontes de energia para

atuao - hidrulica pneumtica e eltrica -, os conceitos sobre transmisso mecnica,

motores, suspenses, a disponibilidade de sensores, etc., tudo isto permitiu construir,

entre outras, mquinas que permitiam emular o "brao humano". do aparecimento

dessas mquinas e da sua evoluo que sero tratadas a seguir. (PIRES, 2002)


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nesses pontos, logo, uma estrutura livre de singularidades seria, em primeira anlise,

prefervel. No entanto, a grande maioria dos robs manipuladores tem geralmente seis

eixos: os necessrios para atingir qualquer posio/orientao no espao de trabalho do

rob. Se as configuraes singulares forem conhecidas, possvel evitar passar por elas,

mantendo assim, o rob manipulador controlado. (PIRES, 2002)

Como num "brao humano", os robs manipuladores usam geralmente as

primeiras juntas para posicionar a estrutura formada pelas juntas seguintes, denominada

punho, que utilizada para orientar o elemento-terminal, ou efetuador. As juntas

utilizadas para posicionamento formam a estrutura denominada brao: no homem,

correspondem s juntas do ombro e do cotovelo. Um rob manipulador tambm usa as

juntas do brao para a funo de posicionamento e as juntas do punho para a funo de

orientao. Em robtica de manipulao, existem cinco tipos principais de braos:cartesiano, cilndrico, polar, antropomrfico e SCARA (Selective Compliance Assembly

Robot Arm) (PIRES, 2002). Neste trabalho foi desenvolvido um manipulador baseado

na estrutura SCARA que pode ser observado na Figura 1.


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juntas, as quais so acionadas por atuadores de modo a posicionar a extremidade livre

da cadeia (rgo terminal, efetuador, garra ou ferramenta) em relao outra

extremidade, que fixa (base do manipulador). A estrutura de um manipulador com a

identificao de cada pea que o constitui mostrada na Figura 2.


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Juntas de revoluo : A junta de revoluo, ilustrada na Figura 3, tambm so

chamadas de juntas rotacionais. Estas juntas giram em torno de uma linha

imaginria, chamada de eixo de rotao. Elas giram como uma cadeira giratria

e abrem e fecham como uma dobradia. (GOZZI, 2006)

Figura 3: Junta de revoluo

FONTE: Adaptado de Santos (2002)

Juntas prismticas : As juntas prismticas so juntas lineares ou deslizantes que


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Figura 5. No corpo humano existem algumas juntas esfricas como a junta entre

o ombro e o brao, o brao e o punho, o tronco e as pernas. (GOZZI, 2006)

Figura 5: Junta esfrica

FONTE: Adaptado de Santos (2002)

2.2.3 Efetuador

Na robtica, efetuador (GROOVER, 1986) usado para descrever a mo ou


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Figura 6: Modelo de garra de dois dedos

FONTE: Carrara (2007)

2.2.4 Sensores

Os sensores fornecem parmetros sobre o comportamento do manipulador,

geralmente em relao posio e velocidade dos elos em funo do tempo. Desta

maneira os sensores detectam posio e/ou velocidade do manipulador ou a fora

exercida pela ferramenta, no projeto utilizam apenas os sensores de posio.

Posio: Os sensores de posio, o prprio nome j diz, detectam a posio das

juntas do manipulador, para esta funo existem trs principais tipos, os


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2.2.6 Atuadores

So componentes que realizam a converso da energia eltrica, hidrulica,

pneumtica em energia mecnica para movimentar o manipulador atravs dos sistemas

de transmisso. A potncia mecnica gerada pelos atuadores enviada aos elos para que

os mesmos se movimentem. Cada tipo de atuador tem um modo de atuao e aplicao

mais indicados:

Atuadores Hidrulicos:utilizam um fluido presso para movimentar o brao.

Usados em robs grandes. Grande potncia e velocidade, mas baixa preciso.

Atuadores Eltricos:motores eltricos (de passo, servos, Corrente Continua ou

Corrente Alternada) ou msculos artificiais. Usados em robs de mdio porte.

Atuadores Pneumticos:utilizam um gs presso para movimentar o brao.

Usados em robs de pequeno porte. Baixa preciso. Limitados a operaes do tipo

pega-e-coloca.

No projeto desenvolvido o tipo de efetuador utilizado um motor eltrico de

corrente continua de 12 Volts.

2.3 DESCRIO DE POSIO E ORIENTAO


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Figura 7: Vetor

AP, associado ao ponto P.FONTE: Lages (2007)

Para ter a localizao do ponto P em relao ao sistema {A}, feita a descriodo vetorAPno sistema {A}. A descrio obtida pela aproximao do vetorAPnas

direes,X A,YA,Z A.

Supondo que Y seja uma aproximao qualquer de APna direoYA, como

ilustrado a Figura 8. E a Equao 1 representa numericamente esta aproximao.


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O conjunto das aproximaes de APnestas trs direes (X A,YA,Z A)

exatamente igual AP

, ilustrado na Figura 9. O ponto P pode ser descrito no sistema de

coordenadas {A} porA

px P py .

pz

Figura 9: Projees deA

FONTE: Lages (2007)


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Figura 10: Localizao do ponto P em relao {A} e {B}.

FONTE: Lages (2007)

Assim, dados dois sistemas de coordenadas referenciais {A} e {B} e um ponto

P, conhecendo as coordenadasBP do mesmo no referencial {B}, as coordenadasAP do

ponto P no referencial {A} podem ser obtidas, desde que se conhea a posio APBe a

orientaoARBde {B} em relao {A}, atravs de um mapeamento de BP paraAP

conforme ilustrado na Figura 11.


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Figura 12: Matriz transformao homognea

FONTE: Santos (2002)

1A

0 0

A

1P

Equao 2

0

A

R

0

B

0

A

P

1

B A

Equao 3

OndeA

compacto a posio e orientao de {B} em relao {A}. A linha inferior das

A


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matematicamente os elos do manipulador atravs de referenciais e parmetros

cinemticos atribudos de acordo com convenes apropriadas, observado na Figura 13.

(KAUTZMANN, 2005)

Figura 13: Parmetros de elo e juntas

FONTE: Kautzmann (2005)


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A Equao 4 demonstra a representao da notao de Denavit-Hartenberg em

uma matriz 4X4.

.

Equao 4

2.6 TELEOPERAO

A tele operao definida como o controle contnuo e direto de uma mquina


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Figura 14: Brao mecnico Teleoperado

FONTE: Zhai & Milgram (1992)


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2.7 SISTEMA DE CONTROLE DE MANIPULADORES

A unidade de controle representa o "crebro" do manipulador. Ela recebe ossinais de entrada dos sensores dos manipuladores e transmitem sinais de sada para os

atuadores dos manipuladores. Pode-se trabalhar com dois tipos de sistemas de controle:

malha aberta e malha fechada.

O controlador a parte do manipulador que responsvel por operar o brao

mecnico e mantm contato com seu ambiente. O dispositivo em si composto por

hardware e software, combinados para possibilitar ao manipulador executar suas tarefas.

(ZORZI, 2004)

2.7.1 Controle do atuador

O controle do acionador ou atuador o controle de cada eixo do manipulador.

Cada eixo de movimento inclui, pelo menos, uma articulao, um vnculo e um

acionador. Em alguns manipuladores, os eixos incluem dispositivos de transferncia de

movimento assim como unidades para identificar a posio relativa dos vnculos. Um

eixo que contm tais unidades possui controle de malha fechada.


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Figura 15: Seqncia de acionamento de um motor eltrico com controle de malha fechada.

FONTE: Adaptado Zorzi (2004)

Aps efetuar a ao do atuador, existe um sensor que envia uma resposta. A

resposta serve de parmetro para identificar se houve ou no o movimento. Contudo

esse sensor retorna um valor ao computador, conforme Figura 16, formando ento uma

malha fechada.

Para se entender o conceito de malha fechada necessrio recordar o de

realimentao. Realimentao consiste em se tomar uma medida do estado atual do


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A seguir so apresentadas algumas estruturas de controle clssica utilizadas em

robs manipuladores.

2.7.2 Controle proporcional, integral e derivativo

A combinao das aes de controle proporcional, integral e derivativa

precedente para gerar um s sinal de controle, d origem ao que se chama de

controlador proporcional-integral-derivativo ou simplesmente PID. O objetivo

aproveitar as caractersticas particulares de cada uma destas aes a fim de se obter umamelhora significativa do comportamento transitrio e em regime permanente do sistema

controlado. (BAZANELLA & SILVA, 2000)

Desta forma tem-se trs parmetros de sintonia no controlador: o ganho

proporcional (ao proporcional), o tempo integral (ao integral) e o tempo

derivativo (ao derivativa). (BAZANELLA & SILVA, 2000)

A ao proporcional de um circuito de controle permite verificar as entradas de

dados, e realizar um clculo, onde o resultado um valor de erro. Ento na ao

proporcional esse erro multiplicado por uma constante ( ), gerando o valor de

atuao do controle.


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Equao 5

Contudo consegue-se entender como funciona o sistema de controle e os

parmetros que os constituem, ficando claro como cada um desse parmetros atuam no

sistema de controle.

2.8 CONCLUSO

Este captulo apresentou os principais pontos necessrios para o

desenvolvimento do projeto. Foram vistos os principais aspectos que envolvem o estudo

da robtica. No Captulo 3, ser apresentado o desenvolvimento do projeto bem como

as etapas que se sucederam para concretiz-lo.


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3 DESENVOLVIMENTO

O projeto do manipulador tele operado funcionar atravs de um sistema de

gerao de trajetria, o manipulador mestre, e ter seu movimento repetido por um

manipulador escravo. Os manipuladores enviam informaes sobre suas posies

utilizando uma interface de condicionamento de sinais analgico, esta realiza a funo

de condicionamento e filtro do sinal.

O sinal analgico percorre a interface de condicionamento at ser lido pelo

microcontrolador, o mesmo o crebro do sistema, onde o ele armazena as funes

de converso analgica/digital, sada PWM e sistema de controle.

Lido o sinal analgico pelo microcontrolador, executa o algoritmo de controle,

que resulta num regime de erro, do qual o valor transmitido pelo canal PWM,

passando por uma ponte H, at chegar ao atuador do manipulador escravo a fim de fazer

com que a posio deste atinja a mesma do manipulador mestre. A Figura 17 mostra os

principais blocos do circuito a serem desenvolvidos.


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Montagem da Ponte H; e

Sistema de Controle digital.

3.1 INTERFACE DE CONDICIONAMENTO DOS SINAIS

ANALGICOS

A interface de condicionamento dos sinais analgicos faz com que o sinal

emitido pelo sensor do manipulador mestre chegue at o microcontrolador.A interface de condicionamento dos sinais analgicos um circuito analgico

que realiza uma filtragem e um condicionamento do sinal (tirando os rudos) e

garantindo que o sinal chegar ao microcontrolador em uma faixa de tenso pr-

determinada. No caso deste projeto a tenso varia de 0 a 5 Volts.

Para a montagem deste circuito utilizam-se resistores de 10K e amplificadoresoperacionais (LM324) que esto trabalhando como um amplificador inversor. O ponto

inicial do circuito criar uma ponte deWheatstoneconforme a Figura 18.


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Dando continuidade montagem do circuito, os pontos 1 e 2 so ligados a parte

positiva de dois amplificadores operacionais (Ampop) diferentes.

Como dito anteriormente os ampops esto trabalhando como amplificadores

inversores de tenso de ganho 1. Para o calculo do ganho foi utilizada a Equao 6,

onde R1 conectado na realimentao e R2 na entrada negativa, conforme a Figura 19.

V0 R1

R2*Vi

Equao 6

Figura 19: Configurao do ampop como amplificador inversor

As sadas dos ampops atravessam um resistor de 10K e entram em outro


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Figura 20: Esquemtico do circuito de condicionamento de sinal analgico.

Na Figura 21 observa-se o circuito analgico montado em umProto-Board.


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3.2 CONVERSOR ANALGICO DIGITAL

A converso Analgica Digital (A/D) se faz necessria, pois o microcontrolador

trabalha com sinais digitais, e o sinal transmitido pelo sensor analgico. A converso

A/D realizada diretamente pelo microcontrolador que tem pinos especficos para tal

funo. O cdigo para a converso e a implementao do projeto foram escritos na

linguagem C e compilada na ferramenta MPLAB disponibilizada pela fabricante do

microcontrolador a Microchip.

Para implementao do projeto o microcontrolador mais indicado PIC16F73

de 22 pinos que possui 2 canais PWM e 5 canal A/D, que so necessrios para o

desenvolvimento do projeto. Porm por disponibilidade e maior facilidade de encotra-lo

no mercado utilizou se o PIC16F877A, ambos da microchip.

Na programao do cdigo para a converso A/D, o primeiro passo a ser

configurado so os pinos que estaro sendo utilizados como entrada do sinal Analgico,

bem como os pinos que serviro como referncias (Vref+ e Vref-). As referncias so os

valores de tenso mxima e tenso mnima, que as entradas analgicas podem receber.

No caso do presente projeto os pinos de nmeros 2, 3, 7 e 8 do microcontrolador


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Aps as configuraes deve-se realizar de fato a converso, para isto utilizam-se

os comandos ma linguagem C, primeiramente deve-se indicar qual canal ser

convertido. A realizao deste procedimento executada pelo comando

SET_ADC_CHANNEL(pino). Aps indicar o canal a ser trabalhado, deve-se converter

ento o sinal. O sinal convertido no momento de sua leitura, portanto necessrio

salvar o valor lido em uma varivel, o procedimento realizando utilizando o seguinte

exemplo: varivel = READ_ADC ().

Ao trmino da leitura do valor analgico do canal em questo, o valor

armazenado um valor digital o que possibilita a manipulao do mesmo pelo

microcontrolador.

3.3 SINAL PWM

No projeto o valor emitido pelo canal PWM transmitido em funo dos valores

lidos nos pinos A/D do microcontrolador, porm antes de enviar um sinal PWM devem-

se configurar os pinos 14 e 15 do microcontrolador, onde os mesmo tm as funes CPP

(CAPTURE/COMPARE/PWM).


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O parmetro os utilizado para especificar o numero de vezes que o contado per

ser reiniciado para gerar uma interrupo (TMR2IF), no caso do projeto utiliza-se, por

exemplo: setup_timer_2 (T2_DIV_BY_4, 254, 1), onde se tem o perodo doclockdo

PWM equivalente a um quarto doclockde operao do microcontrolador (20kH), a

contagem para reiniciar o contador do TIMER2 inicia em 0 e vai at o valor 254, e se

repete essa contagem apenas uma vez para gerar a interrupo do PWM.

Outra configurao importante a ser realizada para o funcionamento do PWM

a configurao do o ciclo ativo do mdulo CCP no modo PWM, para configurar o ciclo

ativo utiliza-se a sintaxe set_pwmx_duty(valor), onde x o canal CPP e o valor uma

varivel ou constante inteira de 8 ou 16 bits. O valor utilizado no projeto o resultado

de uma funo de controle que uma varivel de 8 bits.

3.4 MONTAGEM DA PONTE H

A montagem da ponte H um ponto crtico do projeto, pois alm de ser

responsvel por realizar os movimentos em ambos os sentidos (horrio e anti-horrio)

do motor. A ponte H acionada pelo sinal do PWM, que permite tambm controlar a

velocidade de rotao do motor.


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Figura 23: Ponte H com transistores

O procedimento de ligar as entradas invertidas necessrio, pois, por exemplo,

quando entrada 1 estiver com sinal ativo, tem que os transistores Q1 e Q4 esto na

regio ativa possibilitando a passagem da corrente emitida pela alimentao do circuito,

t t i t Q2 Q3 t i d t t


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Figura 24: Diagrama de Bloco do CI L298

FONTE: STMicroeletronics (2000)

A descrio dos pinos do CI L298 e sua ligao com o motor pode ser visto na

Figura 25.


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Tabela 1: Sadas do CI L298 em funo das entradas

Entrada 1

IN1(Pino 5)

0

1

0

1

Entrada 2

IN2(Pino 7)

0

0

1

1

Sentido

STATUS

Parado - (Break)

Horrio -(Forward)

Anti- Horrio -(Reverse)

Parado - (Break)

3.5 SISTEMA DE CONTROLE

O sistema de controle o responsvel por verificar os valores dos sensores e

gerar um valor de sada para o canal PWM. Este valor utilizado na funo

set_pwmx_duty(valor), onde a sada PWM est ligada a ponte H, que aciona o motor.

No projeto foi desenvolvido um sistema de controle PI (proporcional-integral), porm

no primeiro momento foi desenvolvido um cdigo de controle proporcional (regime de

erro), que no obteve o desempenho esperado.

P d l i t d t l i l di idi i l t


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Para corrigir a falha, dividiu-se a diferena (erro) por 2, obtendo ento um valor

de erro na faixa de 0x00 a 0x7F. Para determinar em qual sentido o motor deve

rotacionar foi elaborada a seguinte estratgia. Quando o valor do sensor de atuao for

maior que o valor do sensor de referncia realiza-se a subtrao de 0x7F pelo erro

dividido por 2.

No caso do valor do sensor de referncia ser o maior, realiza-se ento a soma de

0x7F com o erro dividido por 2. Atravs desta estratgia de implementao consegue-se

fazer o motor rotacionar em ambos os sentidos, procurando rotacionar o sensor de

atuao para a mesma posio do sensor de referncia.

Contudo pode-se observar que quando os sensores estiverem na mesma posio,

o valor do erro for igual 0, ento a sada do PWM recebe o valor de 0x7F onde motor

permanecer parado, pois o PWM encontra-se com 50% do ciclo em alta e 50% do ciclo

em baixa.O sistema de controle proporcional apresenta um bom resultado, como poder

ser visto mais adiante no Captulo 4 que trata dos resultados. Porm, quando o erro

apresentava um valor muito prximo de 0 zero. o mesmo no conseguia fazer com que o

motor se movimente, conseqentemente o sensor de atuao no ir chegar posio


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3.6 CONCLUSO

O Captulo 3 apresentou os principais pontos do desenvolvimento do projeto,

bem com as principais configuraes utilizadas. Contudo conseguiu-se projetar o

esquemtico do circuito conforme anexo. No Captulo 4 sero apresentados os

resultados parciais e finais obtidos no projeto utilizando a montagem do circuito

realizada emproto-board.


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4 RESULTADOS

Este captulo apresenta os resultados obtidos no decorrer do projeto. Para

apresent-los de uma forma seqencial, segui-se os passos de desenvolvimento, que

podem ser observados atravs do diagrama de blocos que est na Figura 17,

acrescentando a esta seqencia a integrao do sistema. Por ordem, o primeiro resultado

a ser discutido refere-se montagem da interface de condicionamento de sinal.

4.1 INTERFACE DE CONDICIONAMENTO DE SINAL

ANALGICO

O principal resultado obtido na interface de condicionamento um circuito

analgico, onde o esquemtico e o circuito montado em um proto-boardpodem serobservados respectivamente nas Figura 20 e 21. Com o circuito montado os resultados

obtidos puderam ser observados utilizando um osciloscpio.

O osciloscpio foi ligado ao circuito no ponto em que o mesmo estar conectado

ao microcontrolador. Para validar o circuito analgico, foram realizadas duas etapas de


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Outro teste realizado foi a leitura do potencimetro em um ponto qualquer de

sua posio, obtendo no multmetro um valor intermedirio de 0 a 5V que na Figura 27

lido 3.0V.

Figura 27: Leitura do potencimetro com 3,0V.

Aps verificar a leitura de um valor intermedirio pode-se garantir que o circuito

est adequadamente calibrado.


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Para efetuar a configurao utiliza-se a funo SETUP_ADC_PORTS(),

responsvel por configurar as entradas analgicas do conversor A/D interno. E a funo

SETUP_ADC() configura o conversor A/D interno, conforme visto na Figura 29.

//as entradas analgicas do conversor A/D interno

setup_adc_ports(AN0_AN1_AN4_AN5_VREF_VREF);

// AN0_AN1_AN4_AN5_VREF_VREF //configure com que AN0, AN1, AN4,

//AN5 como entrada e que AN2 //e AN3 //como Vref- //e Vref+,

//respectivamente;

//o conversor AD interno; for delay(clock=2000000), 20MHz/16 =1,25MHz

setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_16);

Figura 29: Cdigo responsvel por configurar as entradas A/D

Com as devidas configuraes efetuadas, deve-se ento indicar o canal a ser lido,

utilizando a funo SET_ADC_CHANNE, ler o canal com a funo READ_ADC() e

armazen-lo em uma varivel, ilustrada na Figura 30

SET_ADC_CHANNEL(0);

delay_ms(10);

//indica que ser trabalhado o canal 0

//pausa para o microcontrolador configurar


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configurada atravs da funo setup_timer_2. O cdigo responsvel pela configurao

vista na Figura 31.

//Configura o timer do pwm: setup_timer_2 (modo, per, os)

setup_timer_2(T2_DIV_BY_4,254,1);

//T2_DIV_BY_4: TIMER2 ligado com

//prescalar dividindo por 4;

//254: perodo de contagem de 0 a 254

//1 numero de vezes que o contador

// ser reiniciado

setup_ccp1(CCP_PWM);

setup_ccp2(CCP_PWM);

Figura 31: Configurao do TIMER2 e dos canais PWM

Outra varivel importante a quantidade de tempo que a onda do PWM

permanecer em alta. O valor de operao definido pela varivel duty_cycle, utilizada

na funo SET_PWMx_DUTY(duty_cycle), onde x o canal PWM em questo. Para

validar a sada PWM utilizou-se 5 valores em hexadecimal (0x00, 0x40, 0x7F, 0xBF,


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Figura 33:Duty_Cyclecom valor 0x00;

Quando oduty_cycle configurado com o valor de 0x40 em hexadecimal, tem-se

o sinal de sada permanecendo do tempo total do pulso PWM em alto, conforme visto

na Figura 34


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Figura 35:Duty_Cyclecom valor 0xBF;

Atravs dos testes descritos, pode-se observar que o sinal PWM emitido pelo

microcontrolador condiz com o esperado.

4.4 MONTAGEM DA PONTE H

Para a montagem da ponte H foi utilizado o CI L928. Porm para validar, testar e

ganhar conhecimento do funcionamento deste CI foi montado um circuito de teste em


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Para montar o circuito de teste seguiram-se as ligaes sugeridas na Figura 25.

Porm para simular as de entradas do sinal PWM, foram utilizadas as chaves existentes

no mdulo. Com os testes pode verificar que o CI foi capaz de executar as tarefas asquais estar submetido quando integrado ao projeto.

4.5 SISTEMA DE CONTROLE

O sistema de controle tem como resultado, uma ao de controle, que gerada a

partir de um erro que calculado atravs das diferenas de valores dos sensores de

referencia e de atuao.

Para o clculo do valor do erro num primeiro momento, utiliza-se o controle

proporcional, e depois de calculado o mesmo era enviado para ao motor a fim de gerar

um movimento at que o erro atinja o valor 0.

Contudo, o controle proporcional inicialmente desenvolvido apresentou alguns

problemas. O principal foi que quando o erro era prximo de 0, o sinal emitido pelo

PWM no tinha torque suficiente para fazer com que o motor rotacione-se. Para a

soluo deste problema desenvolveu-se o controle proporcional-integral, A incluso do


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// configura o valor do PWM

SET_PWM1_DUTY(erroM1);

Erro_antM1 = erroM1;

Figura 37: Clculo do novo erro

Com a implementao do cdigo do controle proporcional integral obteve-se

grande sucesso no projeto, no apresentando mais os problemas apresentados quando se

utilizava apenas o controle proporcional, contudo pode-se dizer que o controle

proporcional integral eficaz para projeto.

4.6 INTEGRAO DO SISTEMA

A seguir estaro sendo apresentados os resultados finais do projeto onde, todos os

resultados apresentados at o momento estaro sendo integrados, gerando ento oresultado final deste projeto.

A primeira etapa de integrao do sistema a integrao via software para gerar o

sinal PWM a partir do sinal analgico lido pelo microcontrolador. Para tal tarefa,

inseriu-se o valor lido do sensores de referncia (sensor do manipulador mestre) no


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Figura 39: Sensor de referncia, noduty_cycledo PWM

Outra leitura feita pelo sensor de referncia vista na Figura 40, onde o valor

lido prximo de 0V, onde conseqentemente tem-se o sinal de sada do PWM comuma maior porcentagem do tempo em nvel baixo (nvel lgico 0).


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Para solucionar o problema descrito anteriormente inseriu-se uma portanot, em

uma das entradas da ponte H. Atravs da insero da portanot possvel garantir que as

entradas sempre estaro invertidas, e obreaks ser gerado pelo PWM, quando omesmo tiver com 50% do tempo em nvel lgico alto e os outros 50% em nvel lgico

baixo, essebreak realizado devido a alta freqncia de atuao do PWM, no tendo

tempo suficiente para o motor rotacionar.

Os testes desta etapa apresentaram resultados bastante satisfatrios so eles:

Valor do sensor de referncia no seu mnimo, o motor rotacinou comvelocidade mxima no sentindo anti-horrio (reverse);

Valor do sensor de referncia com 1,8V, o motor rotacinou com

velocidade baixa no sentindo anti-horrio (reverse);

Valor do sensor de referncia com 2,5V, o motor no rotacinou, ou seja,

ficou parado(break);Valor do sensor de referncia com 3,8V, o motor rotacinou com

velocidade baixa no sentindo horrio(Forward);e

Valor do sensor de referncia com 5,0V, o motor rotacinou com

velocidade mxima no sentindo horrio(Forward).


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os sensores de atuao e de referncia para o teste de controle so movimentados pelo

operador do testes, facilitando a observao dos resultados.

Figura 41: Teste controle malha fechada.

Para finalizar o projeto utilizou-se o cdigo de controle apresentado na Seo

4.5, obtendo um movimento no manipulador escravo, semelhante ao que o operador

realiza no manipulador mestre. A Figura 42 apresenta a medio do tempo de resposta

malha de controle proporcional integral implementada no microcontrolador. Conforme

pode ser observada a resposta do manipulador escravo atrasada em aproximadamente


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Figura 43: Teleoperao do Manipulador escravo

Com a apresentao dos resultados do projeto podese afirmar, que os objetivos

propostos foram alcanados. A principal prova a tele operao do manipulador

escravo que tem um manipulador mestre como sistema de referncia.


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5 CONCLUSO

Este trabalho apresentou o projeto e o desenvolvimento de um sistema robtico tele

operado de dois graus de liberdade.

Para o desenvolvimento do projeto foi realizado inicialmente um estudo sobre as

necessidades do sistema. Nesta etapa foram definidos o tipo e modelo de

microcontrolador mais adequado, assim como, tambm foram desenvolvidos circuitos

analgicos para condicionamento de sinais.

Dentre os desenvolvimentos realizados destacam-se o projeto de circuitos

analgicos e digitais tais como a Ponte H, circuitos condicionadores de sinal, interfaces

analgicas e do sistema para funcionamento do microcontrolador. Muitas das

implementaes foram pensadas inicialmente na aplicao na forma analgica, porm,

por conta de limitaes encontradas, a maioria das solues foram implementadas na

forma digital. Tambm se destacam o desenvolvimento de um prottipo de um

manipulador SCARA para servir de manipulador tele operado e do sistema de gerao

de referncia (manipulador mestre).

De acordo com os objetivos definidos neste projeto os resultados obtidos atenderam


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ANEXOS


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protÓtipo de um manipulador

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