universidade federal de são carlos centro de ciências exatas e de

Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PROJETO DE ROBÔ MANIPULADOR COM CINCO GRAUS DE LIBERDADE
CONTROLADOS VIA INTERFACE GRÁFICA E COMUNICAÇÃO SERIAL
Rafael Valério Garcia
SÃO CARLOS
2013
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PROJETO DE ROBÔ MANIPULADOR COM CINCO GRAUS DE LIBERDADE
CONTROLADOS VIA INTERFACE GRÁFICA E COMUNICAÇÃO SERIAL
Rafael Valério Garcia
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao
curso
de
Engenharia
Elétrica
da
Universidade Federal de São Carlos, São
Paulo, como requisito para a obtenção do título
de Engenheiro Eletricista.
Orientação: Prof. Dr. Roberto Santos Inoue.
SÃO CARLOS
2013
i
MEMBROS DA BANCA EXAMINADORA DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE
CURSO DE RAFAEL VALÉRIO GARCIA APRESENTADO AO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS, EM
15/07/2013.
BANCA EXAMINADORA:
Prof. Dr. Roberto Santos Inoue
ORIENTADOR
DEE - UFSCar
Prof. Dr. Giuseppe Antonio Cirino
AVALIADOR
DEE - UFSCar
Prof. Dr. Osmar Ogashawara
AVALIADOR
DEE - UFSCar
ii
Dedico este trabalho aos meus pais, aos meus
queridos irmãos Juliana e Eduardo, à Silvia e a
todos os amigos que me permitem ver em si
minha extensão.
iii
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Roberto Santos Inoue pela orientação e dedicação durante o
desenvolvimento desse trabalho.
Ao Prof. Dr. Giuseppe Antonio Cirino pela organização do evento de
exposição dos trabalhos e conselhos direcionados a este aluno.
Aos professores membros da banca examinadora, pela presença e contribuição
dedicada a esse trabalho.
Aos professores do Departamento de Engenharia Elétrica por contribuírem
para o meu crescimento profissional e pessoal.
Ao Prof. Dr. Osmar Ogashawara pela oportunidade e orientação cedidas no
meu projeto de iniciação científica, bem como ao meu amigo Lucas Godoi de Oliveira pela
participação neste trabalho.
Aos técnicos e secretários do Departamento de Engenharia Elétrica, em
especial Heitor Mercaldi.
Aos grandes amigos e parceiros da primeira turma de Engenharia Elétrica, em
especial Alex Rodrigues Fricelli, Guilherme Barboni Paschoal e Júlio Rodrigues Goulart,
pelos momentos de descontração, pelas longas horas de estudo e trabalho que contribuíram de
alguma forma na minha formação e principalmente pela amizade construída durante esse
período.
Por fim, agradeço ao meu grande amigo Gustavo Laureano Cardoso pela
significativa participação neste trabalho e pela sua amizade.
iv
“Eu sou eu e minhas circunstâncias”
(José Ortega y Gasset).
v
RESUMO
A utilização de robôs manipuladores em aplicações industriais, visando reduzir
a exposição do homem em situações de risco, ou mesmo, com o objetivo de maximizar um
processo de produção, promove a necessidade de um avanço contínuo no desenvolvimento
tecnológico da robótica. Entretanto, essa tecnologia não é viável em ambientes de pesquisa,
como nos laboratórios das universidades, devido ao elevado custo e complexidade dos
equipamentos, limitando a difusão do conhecimento nas pequenas empresas e nas instituições
de ensino. Neste contexto, o projeto teve como principal objetivo o desenvolvimento de um
robô manipulador com cinco graus de liberdade, Pinocchio 5
DOF
, controlado via interface
gráfica e comunicação serial, de baixo custo e de menor complexidade, para ser aplicado para
fins didáticos. Para a construção do robô, foram executados os projetos mecânico baseado em
uma configuração open source; eletrônico, com a utilização de servomotores acionados por
um driver com comunicação serial; e software, com a utilização dos softwares MATLAB e
Pololu Maestro Control Center, para o desenvolvimento das interfaces gráficas, programação
e configuração dos controladores dos servomotores. O Pinocchio 5
DOF
apresentou
desempenho adequado nos movimentos executados, perfeitas condições de funcionamento e
operação, através do hardware eletrônico e, facilidade de operação, por meio do software
elaborado. Dessa forma, foi possível concluir, através dos resultados obtidos, a viabilidade de
desenvolvimento de um robô manipulador, com cinco graus de liberdade e de baixo custo,
para auxiliar a difusão da robótica no ambiente de ensino.
Palavras-chave: robótica, interface gráfica, cinemática direta.
vi
ABSTRACT
The use of robot manipulators in industrial applications to reduce human
exposure at risk, or even with the objective of maximizing a production process, promotes the
need for a continued advance technological development in robotics. However, this
technology is not feasible in research environments, such as in university laboratories, due to
the high cost and complexity of equipment, limiting the diffusion of knowledge in small
business and in educational institutions. In this context, the project aimed to the development
of a robot manipulator with five degrees of freedom, Pinocchio 5 DOF controlled via graphical
interface and serial communication, low cost and low complexity, to be used for educational
purposes. For the construction of the robot, a mechanical project was executed based on an
open source configuration, an electronic project, with the use of servomotors driven by a
driver with serial communication, and software, with the use of MATLAB and Pololu Maestro
Control Center, for development of graphical user interfaces, programming and setup of the
servo controllers. The Pinocchio 5
DOF
showed adequate performance in movements, perfect
condition and operation, through the electronic hardware and ease operation, using the
software developed. Thus, it was possible to conclude from the results obtained, the feasibility
of developing a robot manipulator with five degrees of freedom and low cost to improve the
diffusion of robotics in teaching environment.
Keywords: robotics, graphical interface, kinematics.
vii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
DOF
Degree of Freedom
ISO
International Organizarion for Standardization
MDF
Medium Density Fiberboard
P
Prismática
PCI
Placa de Circuito Impresso
PPP
Robô de Coordenadas Cartesianas
PWM
Pulse Width Modulation
R
Revolução
RIA
Robot Institute of America
RPP
Robô de Coordenadas Cilíndricas
RRP
Robô de Coordenadas Esféricas
RRR
Robô de Coordenadas de Revolução
RUR
Robôs Universais de Russum
SCARA Selective Compliant Articulated Robot for Assembly
USB
Universal Serial Bus
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Robô manipulador [10]. ............................................................................................. 10
Figura 2 Juntas prismática, de rotação e esférica [2]................................................................ 11
Figura 3 Tipos de sistemas de transmissão [10]. ...................................................................... 12
Figura 4 Graus de liberdade do robô de coordenadas cartesianas [10]. ................................... 13
Figura 5 Área de trabalho do robô de coordenadas cartesianas [10]. ....................................... 13
Figura 6 Graus de liberdade do robô de coordenadas cilíndricas [10]. .................................... 14
Figura 7 Área de trabalho do robô de coordenadas cilíndricas [10]......................................... 14
Figura 8 Graus de liberdade do robô de coordenadas esféricas [10]. ....................................... 14
Figura 9 Área de trabalho do robô de coordenadas esféricas [10]. .......................................... 15
Figura 10 Graus de liberdade do robô de coordenadas de revolução [10]. .............................. 15
Figura 11 Área de trabalho do robô de coordenadas de revolução [10]. .................................. 15
Figura 12 Graus de liberdade do robô SCARA [10].................................................................. 16
Figura 13 Área de trabalho do robô SCARA [10]. .................................................................... 16
Figura 14 Sistema de coordenadas fixado ao manipulador e objetos [3]. ................................ 19
Figura 15 Cinemática direta [3]. ............................................................................................... 19
Figura 16 Representação de Denavit-Hartenberg para cinemática direta [3]. ......................... 20
Figura 17 Cinemática inversa [3]. ............................................................................................ 22
Figura 18 Relação geométrica entre as velocidades das juntas e as velocidades linear e angular
do efetuador [3]. ....................................................................................................................... 23
Figura 19 Relação entre os torques aplicados nas juntas e o movimento resultante do
manipulador [3]. ....................................................................................................................... 23
Figura 20 Controle de trajetória entre os pontos A e B [3]. ..................................................... 24
Figura 21 Representação do controle de posição de um manipulador na execução de uma
trajetória [3]. ............................................................................................................................. 24
Figura 22 Sistema de controle de força e posição do manipulador [3]. ................................... 25
Figura 23 Fluxograma dos materiais da etapa mecânica. ......................................................... 26
Figura 24 Fluxograma de fabricação das peças da etapa mecânica. ........................................ 27
Figura 25 Placa de madeira MDF. ............................................................................................ 28
Figura 26 Micro Retífica Dremel S 3000 110 V 130 W. ......................................................... 29
Figura 27 Furadeira de Bancada Hobby 1/3 HP Mono - Motomil. .......................................... 29
Figura 28 Paquímetro Eccofer. ................................................................................................. 30
Figura 29 Fluxograma dos materiais da etapa eletrônica. ........................................................ 31
ix
Figura 30 Cabo de programação da placa de controle dos motores [13]. ................................ 31
Figura 31 Controlador de servomotores Mini Maestro [13]..................................................... 32
Figura 32 Visão superior do controlador de servomotores Mini Maestro [13]. ....................... 33
Figura 33 Visão inferior do controlador de servomotores Mini Maestro [13]. ........................ 33
Figura 34 Central de controle do Mini Maestro [13]................................................................ 34
Figura 35 Fonte de alimentação................................................................................................ 34
Figura 36 Servomotor, cabo, conector, braços e conjunto para fixação [14]. .......................... 35
Figura 37 Fluxograma dos materiais da etapa de software. ..................................................... 36
Figura 38 Pololu Maestro Control Center [17]. ....................................................................... 37
Figura 39 Fluxograma dos processos de desenvolvimento e produção dos itens da estrutura
mecânica do Pinocchio 5 DOF. .................................................................................................. 39
Figura 40 Fluxograma da metodologia aplicada na etapa elétrica. .......................................... 40
Figura 41 Fluxograma da metodologia aplicada na etapa de software..................................... 41
Figura 42 Robô manipulador de cinco graus de liberdade com projeto open source [11]. ...... 43
Figura 43 Estrutura e sistemas de coordenadas do Pinocchio 5 DOF. ....................................... 46
Figura 44 Esquema elétrico de ligação do projeto eletrônico do Pinocchio 5 DOF. .................. 51
Figura 45 Interface gráfica para operação da Plataforma Pinocchio 5 DOF. ............................. 52
Figura 46 Interface gráfica para operação do módulo de comunicação. .................................. 52
Figura 47 Interface gráfica para aviso de limite de sequências alcançadas.............................. 52
Figura 48 Plataforma de teste do Pinocchio 5 DOF. .................................................................. 56
Figura 49 Estrutura completa do Pinocchio 5 DOF. ................................................................... 57
Figura 50 Carga utilizada na avaliação do Pinocchio 5 DOF. .................................................... 58
x
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 Cálculo da matriz de transformação homogênea ...................................................... 47
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Itens de fixação. ......................................................................................................... 28
Tabela 2 Servomotores. ............................................................................................................ 35
Tabela 3 Grupos de montagem do Pinocchio 5 DOF. ............................................................. 44
Tabela 4 Itens de montagem do Pinocchio 5 DOF. ................................................................. 44
Tabela 5 Composição dos grupos de montagem do Pinocchio 5 DOF. ................................... 45
Tabela 6 Parâmetros da representação de Denavit-Hartenberg. .............................................. 46
Tabela 7 Lista de componentes do projeto eletrônico. ............................................................. 50
Tabela 8 Módulos e funções da plataforma de operação.......................................................... 53
Tabela 9 Algoritmos da plataforma de operação. ..................................................................... 55
Tabela 10 Sequência de parâmetros das juntas para avaliação de movimento. ....................... 58
Tabela 11 Sequência de parâmetros das juntas para avaliação de movimento com transporte
de objeto. .................................................................................................................................. 59
Tabela 12 Análise de custo do projeto...................................................................................... 64
xii
SUMÁRIO
1
Introdução ........................................................................................................................... 1
2
Objetivos............................................................................................................................. 3
2.1
Objetivo geral ............................................................................................................. 3
2.2
Objetivos específicos .................................................................................................. 3
3
Justificativa ......................................................................................................................... 4
4
Estado da arte...................................................................................................................... 5
5
Fundamentos teóricos ......................................................................................................... 7
5.1
Aspectos históricos ..................................................................................................... 7
5.2
Introdução à Robótica................................................................................................. 8
5.2.1
Uso de robôs industriais nas fábricas ..................................................................... 9
5.2.2
Aplicações .............................................................................................................. 9
5.3
Aspectos construtivos de manipuladores robóticos .................................................. 10
5.3.1
5.4
Atuadores .................................................................................................................. 12
5.5
Classificação de robôs industriais quanto à estrutura mecânica ............................... 12
5.5.1
Geração Tecnológica do Robô ............................................................................. 16
5.5.2
Participação Humana ............................................................................................ 17
5.5.3
Formas de programação........................................................................................ 17
5.6
6
Manipulador mecânico ......................................................................................... 10
Modelagem de robôs manipuladores ........................................................................ 18
5.6.1
Cinemática direta .................................................................................................. 19
5.6.2
Representação de Denavit-Hartenberg ................................................................. 20
5.6.3
Cinemática inversa ............................................................................................... 22
5.6.4
Jacobiana .............................................................................................................. 22
5.6.5
Dinâmica............................................................................................................... 23
5.6.6
Geração de trajetória ............................................................................................. 23
5.6.7
Controle de posição .............................................................................................. 24
5.6.8
Controle de força .................................................................................................. 25
MATERIAIS .................................................................................................................... 26
6.1
Mecânica................................................................................................................... 26
xiii
6.1.1
Solid Edge ............................................................................................................ 27
6.1.2
Matéria-prima ....................................................................................................... 27
6.1.3
Itens de fixação ..................................................................................................... 28
6.1.4
Micro Retífica Dremel .......................................................................................... 29
6.1.5
Furadeira de Bancada ........................................................................................... 29
6.1.6
Ferramentas manuais ............................................................................................ 30
6.1.7
Itens de medição ................................................................................................... 30
6.2
6.2.1
Computador .......................................................................................................... 31
6.2.2
Canal de comunicação .......................................................................................... 31
6.2.3
Placa de controle dos motores .............................................................................. 32
6.2.4
Fonte de Alimentação ........................................................................................... 34
6.2.5
Servomotores ........................................................................................................ 35
6.3
7
8
Eletrônica .................................................................................................................. 30
Software .................................................................................................................... 35
6.3.1
MATLAB ............................................................................................................. 36
6.3.2
Pololu Maestro Control Center ............................................................................. 37
Metodologia ...................................................................................................................... 38
7.1
Mecânica................................................................................................................... 38
7.2
Elétrica ...................................................................................................................... 40
7.3
Software .................................................................................................................... 41
Desenvolvimento .............................................................................................................. 43
8.1
8.1.1
Mecânica................................................................................................................... 43
Modelagem ........................................................................................................... 45
8.2
Elétrica ...................................................................................................................... 50
8.3
Software .................................................................................................................... 52
9
ANÁLISE DE RESULTADOS ........................................................................................ 56
10
Conclusão ......................................................................................................................... 60
11
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................................ 61
12
Referências ....................................................................................................................... 62
APÊNDICE A - Custo e lista de peças do projeto ................................................................... 64
Página |1
1
INTRODUÇÃO
No mundo moderno a execução de tarefas de forma eficiente e precisa tornouse uma necessidade. A substituição ou adaptação de trabalhos cuja participação humana é
difícil ou que ofereça algum risco ao indivíduo já é realidade. Neste sentido, são aplicados
dispositivos mecatrônicos, denominados robôs.
Fruto da criativa mente humana, os robôs sempre fizerem parte de desenhos e
filmes de ficção científica. No início da década de 1960, os robôs começaram a ser utilizados
no processo de substituição da mão de obra humana em tarefas que ofereciam riscos como
altos níveis de calor, ruído, gases tóxicos, esforço físico extremo, entre outras [1].
Sistemas automáticos, como robôs, estão presentes em diversos setores da
economia, incluindo os setores agrícola, industrial, comercial e predial. Com o avanço da
tecnologia, diversas atividades estão sendo realizadas por máquinas e robôs, especificamente
os robôs manipuladores, cuja utilização nos campos privado, comercial e militar cresce de
maneira expressiva. A utilização de robôs também se tornou frequente na medicina como, em
cirurgias, na teleoperação e na reabilitação por meio de próteses de membros inferiores e
superiores [2].
A evolução dos processos de fabricação, da eletrônica e, em particular, dos
computadores repercutiram para queda dos preços e melhoria do desempenho e
funcionalidades dos robôs. A produção seriada desses dispositivos influenciou diretamente na
melhoria dos processos de produção, fornecendo maior qualidade aos produtos. A quantidade
de robôs de uso industrial aumentou nos últimos anos em virtude da implantação de robôs em
suas linhas de montagem [1].
Neste contexto, os robôs manipuladores têm sido foco de intensa pesquisa há
vários anos. Com a crescente disponibilidade de recursos computacionais de alto desempenho,
avanços em tecnologias de transmissão de dados, os custos desses equipamentos têm
diminuído. Os robôs manipuladores, ou braços robóticos, têm sido utilizados como objeto de
pesquisa no desenvolvimento de aplicações como pintura, soldagem, movimentação de
objetos, para fins didáticos e caseiros com caráter de baixo custo.
O desenvolvimento de um robô manipulador não é algo trivial. A robótica
requer conhecimentos interdisciplinares tais como engenharia mecânica, engenharia elétrica,
comunicações, ciência da computação, controle de sistema, inteligência artificial, operações
em sistema em tempo real, entre outros [3].
Página |2
Desta forma, destaca-se a importância do desenvolvimento deste trabalho na temática
apresentada. No que se refere a esta iniciativa, foi desenvolvido o projeto de um robô
manipulador com cinco graus de liberdade, denominado Pinocchio 5
DOF
(Degree of
Freedom). O sistema em questão é composto pela estrutura mecânica do manipulador
formada por elos, juntas, base fixa e garra. Foram utilizados servomotores para movimentar as
juntas. Um driver comercial com comunicação serial foi especificado para realizar o
acionamento dos servomotores. Por fim, foi desenvolvida uma interface gráfica no software
MATLAB contendo os principais parâmetros para movimentar o dispositivo e sua aplicação.
Página |3
2
2.1
OBJETIVOS
Objetivo geral
O principal objetivo deste projeto de pesquisa é realizar a construção de um
robô manipulador com cinco graus de liberdade, Pinocchio 5 DOF, controlado via interface
gráfica e comunicação serial.
2.2
Objetivos específicos
•
Realizar uma revisão bibliográfica sobre robôs manipuladores;
•
Realizar uma revisão bibliográfica sobre modelagem de robôs manipuladores;
•
Desenvolvimento de uma interface gráfica no software MATLAB contendo os
principais parâmetros para movimentar o dispositivo; e
•
Desenvolvimento da estrutura mecânica do manipulador composta por elos,
juntas e base fixa.
Página |4
3
JUSTIFICATIVA
A tecnologia de robôs manipuladores e a quantidade de robôs de uso industrial
aumentaram significativamente durante os últimos anos. O desenvolvimento de um robô
manipulador exige conhecimentos interdisciplinares tais como engenharia mecânica,
engenharia elétrica, engenharia de computação, ciência da computação, controle de sistema,
inteligência artificial, entre outros. Seguindo este cenário e com foco no desenvolvimento de
um projeto integralizador e multidisciplinar baseado na robótica industrial, destaca-se a
potencialidade do desenvolvimento deste trabalho no ambiente acadêmico como forma de
manter os alunos, futuros profissionais, conectados a evolução do mercado de trabalho, ora
agregando valor ao perfil profissional, ora absorvendo conhecimento.
Por outro lado, a fabricação de robôs manipuladores industriais encontra-se em
um patamar tecnológico acima daquele encontrado nas universidades. O custo para aquisição
desses equipamentos é extremamente alto, o que torna sua utilização e conhecimento restritos,
tanto pelas pequenas empresas como por profissionais e instituições de ensino. Visando
difundir o conhecimento da tecnologia empregada nos manipuladores robóticos, o
desenvolvimento deste projeto de baixo custo e de menor complexidade, poderá ser aplicado
aos laboratórios de ensino para fins didáticos, possibilitando o estudo da robótica, sistemas de
controle, controle digital, controle inteligente, eletrônica de potência e outras disciplinas
pertencentes à grade curricular do curso de Engenharia Elétrica da UFSCar.
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4
ESTADO DA ARTE
Os robôs manipuladores articulados têm sido foco de intensa pesquisa há
vários anos. Com a crescente disponibilidade de recursos computacionais de alto desempenho,
avanços em tecnologias de transmissão de dados, os custos desses equipamentos têm
diminuído. Os robôs manipuladores, ou braços robóticos, têm sido utilizados como objeto de
pesquisa no desenvolvimento de aplicações como pintura, soldagem, movimentação de
objetos e atividades para fins didáticos e caseiros com caráter de baixo custo.
A fabricação de robôs manipuladores industriais encontra-se em um patamar
acima daquele encontrado nas universidades. Em contrapartida, o custo para aquisição desses
equipamentos é extremamente alto, o que torna sua utilização e conhecimento restritos, tanto
pelas pequenas empresas como por profissionais e instituições de ensino.
Visando difundir o conhecimento da tecnologia empregada nos manipuladores
robóticos, grupos de pesquisadores desenvolvem projetos de baixo custo e de menor
complexidade, geralmente, aplicados ao entretenimento (hobby) ou para fins didáticos. Em [4],
foi desenvolvido um braço mecânico com cinco graus de liberdade para manipulação de
placas PCI (Placas de Circuito Impresso) voltado a aplicações de baixo custo. Outro projeto
de construção de um manipulador de baixo custo aplicado em ambientes de trabalho perigosos
é apresentado em [5] e, consiste na construção de um braço robótico de três graus de
liberdades supervisionado e controlado por um software desenvolvido em Java.
O projeto de um manipulador robótico de sete graus de liberdade e baixo custo
é apresentado em [6]. O braço apresenta desempenho razoável na execução de tarefas como
preparo de panquecas. Em [7], é desenvolvido um manipulador robótico articulado com três
juntas rotativas e atuadores elétricos, motores de passo e de corrente contínua. O controle
funciona no modo manual, com a intervenção direta do usuário, e no modo automático,
através de algoritmos processado em um computador. Utilizando uma câmera, o manipulador
localiza objetos para efetuar seu transporte.
Desta forma, destaca-se a importância do desenvolvimento deste trabalho na temática
apresentada. No que se refere a esta iniciativa, foi desenvolvido o projeto de um robô
manipulador com cinco graus de liberdade. O sistema em questão é composto pela estrutura
mecânica do manipulador composta por elos, juntas, base fixa e garra. Foram utilizados
servomotores para movimentar as juntas. Um driver comercial com comunicação serial foi
especificado para realizar o acionamento dos servomotores. Por fim, foi desenvolvida uma
Página |6
interface gráfica no software MATLAB contendo os principais parâmetros para movimentar o
dispositivo e sua aplicação.
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5
5.1
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Aspectos históricos
I can’t define a robot, but I know one when I see one.
(Eu não posso definir um robô, mas eu conheço um quando eu vejo um).
Joseph F. Engelberger
Comprovado pela própria origem da palavra “robô”, em tcheco robotnik, que
significa “servo”, uma das maiores fantasias do homem sempre fora a construção de uma
máquina com certo grau de inteligência que fosse capaz de agir e pensar como os seres
humanos [1].
Na Grécia antiga, o filósofo Aristóteles relata os primeiros princípios da
robótica ao descrever a utilização de instrumentos em trabalhos que não empregavam as mãos,
o que reduzia os esforços do homem [1].
O dramaturgo Karel Capek utilizou a palavra robota em uma peça de teatro,
chamada Robôs Universais de Russum (RUR), retratando a criação de robôs para substituir a
mão de obra humana [1].
No início do século XX, o principal objetivo na criação de robôs era melhorar a
produtividade industrial e a qualidade dos produtos. A partir da Revolução Industrial, no
século XVIII, inicia-se a evolução de novas fontes de energia, novos mecanismos e
instrumentos, tornando possível a evolução das máquinas para controlar ações sequenciadas
[1].
O ano 1940 possui grande destaque na história, foi quando o escritor Isaac
Asimov enunciou as leis da robótica. A última lei, ou lei zero foi enunciada em 1984 [1].
•
Lei zero: Um robô não pode causar mal à humanidade nem permitir que ela
própria o faça [1].
•
Primeira lei: Um robô não pode ferir um ser humano ou permanecer passivo
deixando um ser humano exposto ao perigo [1].
•
Segunda lei: Um robô deve obedecer às ordens dadas pelos seres humanos,
exceto se tais ordens estiverem em contradição com a primeira lei [1].
•
Terceira lei: Um robô deve proteger sua existência na medida em que essa
proteção não estiver em contradição com a primeira e a segunda lei [1].
Página |8
Em 1959, Devol e Joseph F. Engelberger, membros da empresa Unimation Inc.,
desenvolveram o primeiro robô industrial. No ano de 1962, H. A. Ernst inicia o
desenvolvimento de um computador cuja função era controlar uma mão mecânica utilizando
sensores para o tato [1].
Em1968 houve grande avanço nas aplicações desenvolvidas no Laboratório de
Inteligência Artificial de Standford. McCarthy e sua equipe desenvolvem um computador
com capacidade de identificação, reconhecimento e manipulação de blocos através da
decodificação de mensagens de voz. Em paralelo, Pieper estudou o problema de cinemática de
um manipulador controlado por computador [1].
Em 1969, ano em que o homem chega a Lua, manipuladores são aplicados nos
processos de recolhimento de amostras, sob o comando de um controle remoto. Em 1970,
tem-se o início de pesquisas da utilização de sensores em robôs. Em 1971, Kahn e Roth
analisam a dinâmica e o controle de braços flexíveis. Em 1974, a empresa Cincinnat Milacron
fabrica o primeiro robô industrial controlado via computador, cuja função era mover objetos
numa linha de montagem [1].
A grande evolução que a robótica passou até os dias de hoje foi graças ao
desenvolvimento da microeletrônica, que implicou na redução de custo de produção de
dispositivos
eletrônicos,
e
no
desenvolvimento
da
microinformática,
como
os
microprocessadores e microcontroladores. Esse avanço tecnológico aumentou a capacidade de
processamento de dados, diminuiu os custos de fabricação dos robôs, tornando-os mais
acessíveis [1].
5.2
Introdução à Robótica
A robótica é a disciplina que envolve conhecimentos de diversas áreas,
integrando conceitos técnicos e algoritmos computacionais para a criação, controle e
programação de robôs, vislumbrando sua aplicação em processos industriais [8].
O robô industrial, segundo o Robot Institute of America (RIA), é definido como
um manipulador multifuncional reprogramável projetado para mover materiais, ferramentas,
ou dispositivos especializados através de movimentos variados para a execução de uma
variedade de tarefas. Seguindo tal linha de pensamento, a ISO 10218 afirma que um robô
industrial é uma máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada
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automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para
utilização em aplicações de automação industrial [2].
5.2.1 Uso de robôs industriais nas fábricas
A utilização de robôs no setor industrial geralmente acontece sob duas
perspectivas distintas. Primeiramente, quando existe o projeto de instalação física nova ou
processo novo ou em uma estrutura pré-existente. Essas diferenças devem ser analisadas de
forma criteriosa, uma vez que, influenciam diretamente no gerenciamento técnico,
administrativo e econômico do projeto [9].
A aplicação de robôs nas fábricas visa, dentre diversos aspectos, os seguintes
pontos:
•
Aumento da produtividade e qualidade do processo;
•
Redução de custos;
•
Otimização do uso da matéria-prima;
•
Economia de energia;
•
Melhoria das condições de trabalho do ser humano.
•
Eliminação de atividades perigosas ou insalubres para o ser humano;
•
Realização de atividades impossíveis de serem controladas manualmente ou
intelectualmente;
•
Montagem de peças em miniatura; e
•
Coordenação de movimentos complexos e atividades rápidas.
5.2.2 Aplicações
Os robôs industriais são empregados, principalmente, nos seguintes grupos de
aplicações:
•
Soldagem a arco e por ponto;
•
Manuseio de materiais;
•
Pintura;
•
Processos de embalagem e paletização;
•
Montagem;
P á g i n a | 10
5.3
•
Corte mecânico, rebarbação e polimento;
•
Selagem e colagem adesiva de materiais; e
•
Medicina em assistência a cirurgia.
Aspectos construtivos de manipuladores robóticos
5.3.1 Manipulador mecânico
A Figura 1 apresenta um manipulador mecânico, o qual é constituído por elos,
juntas, sistemas de transmissão e efetuador [2].
Figura 1 Robô manipulador [10].
a) Elos
Os elos, ou corpo, são estruturas mecânicas rígidas que compõem o conjunto
do manipulador, sendo formados pela base, tronco, braço, antebraço e punho [10].
b) Juntas
As juntas são dispositivos mecânicos que interligam os elos, dando liberdade
de movimento à estrutura. São de três tipos: prismáticas, que geram movimentos lineares
P á g i n a | 11
entre dois membros; rotativas, as quais geram movimento de rotação; e esférica que
disponibilizam movimentos nos três eixos [10].
Figura 2 Juntas prismática, de rotação e esférica [2].
O número de juntas de um manipulador determina o grau de liberdade do
mesmo, ou seja, representa o número de variáveis independentes de posição que precisam ser
especificadas para se definir a localização de todas as partes do mecanismo [10].
Geralmente, um manipulador industrial possui seis graus de liberdade. Com
menos de seis graus de liberdade não é possível alcançar todos os pontos de um ambiente de
trabalho. Um robô com mais de seis juntas é denominado robô redundante, ou seja, possui
mais graus de liberdade do que o mínimo necessário para executar determinada tarefa. Onde
três são utilizados para posicionar o efetuador e outros três para orientá-lo [10].
•
Posicionamento: tronco, ombro e cotovelo.
•
Orientação: arfagem, rolagem e guinada.
c) Sistemas de Transmissão
O acionamento de uma máquina nem sempre produz o movimento apropriado
ao trabalho que se deseja realizar. Logo, torna-se necessário empregar mecanismos de
transformação de movimento. Sistemas de transmissão é a passagem de movimento de um
dispositivo da máquina para um segundo, podendo ou não haver alteração na velocidade ou
no tipo de movimento que está sendo realizado. Destacam-se na Figura 3 alguns tipos de
sistemas de transmissão: acoplamento direto, acoplamento com alinhamento oblíquo,
redutores, polia e correia, conversão de movimento rotativo para linear através de fuso,
correia dentada e cremalheira [10].
P á g i n a | 12
Figura 3 Tipos de sistemas de transmissão [10].
5.4
Atuadores
Os atuadores realizam trabalho nas juntas, rotacionais ou lineares, seguindo o
acionamento proveniente do sistema de controle. Os principais atuadores utilizados em robôs
são:
5.5
•
Atuadores hidráulicos;
•
Atuadores pneumáticos;
•
Atuadores elétricos;
•
Motores de corrente contínua;
•
Motores tipo passo; e
•
Motores de corrente alternada.
Classificação de robôs industriais quanto à estrutura mecânica
A estrutura mecânica é formada de acordo com os graus de liberdade de um
robô. São definidas diversas combinações de juntas, de rotação ou revolução (R) e de
translação ou prismáticas (P), que permitem diferentes possibilidades de posicionamento no
espaço de trabalho. Existem cinco classes principais de manipuladores: cartesiana, cilíndrica,
esférica (polar), revolução (ou articulada) e SCARA (Selective Compliant Articulated Robot
for Assembly) [10].
P á g i n a | 13
a) Robô de Coordenadas Cartesianas - PPP
O robô de coordenadas cartesianas executa deslocamentos lineares em três
eixos diferentes por meio de juntas prismáticas (Figura 4). É codificado como PPP e possui a
configuração mais simples em razão da origem do movimento. A área de trabalho do robô
cartesiano é apresentada na Figura 5 [10].
Figura 4 Graus de liberdade do robô de coordenadas cartesianas [10].
Figura 5 Área de trabalho do robô de coordenadas cartesianas [10].
b) Robô de Coordenadas Cilíndricas - RPP
O robô de coordenadas cilíndricas executa deslocamentos rotativos e lineares
(Figura 6). É codificado como RPP e possui uma junta rotativa e duas prismáticas. A área de
trabalho do robô cartesiano é apresentada na Figura 7 [10].
P á g i n a | 14
Figura 6 Graus de liberdade do robô de coordenadas cilíndricas [10].
Figura 7 Área de trabalho do robô de coordenadas cilíndricas [10].
c) Robô de Coordenadas Esféricas – RRP
O robô de coordenadas esféricas, ou polares, executa deslocamentos rotativos e
lineares (Figura 8). É codificado como RRP e possui duas juntas rotativas e uma prismática. A
área de trabalho do robô esférico é apresentada na Figura 9 [10].
Figura 8 Graus de liberdade do robô de coordenadas esféricas [10].
P á g i n a | 15
Figura 9 Área de trabalho do robô de coordenadas esféricas [10].
d) Robô de Coordenadas de Revolução – RRR
O robô de coordenadas de revolução, ou articulado, executa deslocamentos
rotativos (Figura 10). É codificado como RRR e possui três juntas rotativas. A área de
trabalho do robô articulado é apresentada na Figura 11. Devido à semelhança com o braço
humano é também denominado antropomórfico. O manipulador articulado possui liberdade de
movimentos relativamente grande em um espaço de trabalho restrito, tornando-o mais versátil
dos manipuladores industriais [10].
Figura 10 Graus de liberdade do robô de coordenadas de revolução [10].
Figura 11 Área de trabalho do robô de coordenadas de revolução [10].
P á g i n a | 16
e) Robô SCARA - RRP
O robô SCARA executa deslocamentos rotativos e lineares (Figura 12). É
codificado como RRP e possui duas juntas rotativas e uma prismática. A área de trabalho do
robô articulado é apresentada na Figura 13. Embora seja semelhante ao robô esférico quanto à
configuração das juntas, ele se diferencia pela sua estrutura e ramo de aplicação. Este
manipulador é apropriado para executar operações de montagem devido ao movimento linear
presente no eixo vertical (terceiro eixo) [10].
Figura 12 Graus de liberdade do robô SCARA [10].
Figura 13 Área de trabalho do robô SCARA [10].
5.5.1 Geração Tecnológica do Robô
Quanto à geração tecnológica, os robôs são classificados em:
a) Primeira Geração
Os robôs de primeira geração realizam operações pré-programadas, uma vez
que não são capazes de obter informações sobre o meio ambiente [10].
P á g i n a | 17
b) Segunda Geração
Os robôs de segunda geração utilizam sistemas de sensoriamento e
identificação. Desta forma, estabelecem uma comunicação detalhada com o meio de trabalho
[10].
c) Terceira Geração
Os robôs de terceira geração são caracterizados, principalmente, pelo uso da
inteligência artificial e processos de tomada de decisão [10].
5.5.2 Participação Humana
Quanto à participação humana o ambiente de trabalho dos robôs é classificado
em:
a) Ambiente Estruturado
O ambiente estruturado é definido como um sistema robótico, isto é,
caracteriza-se pela participação mínima de seres humanos operadores [10].
b) Ambiente não Estruturado
O ambiente não estruturado é definido como sistema teleoperado. Neste caso, a
participação de seres humanos operadores é fundamental para o funcionamento do sistema
[10].
5.5.3 Formas de programação
Quanto às formas de programação de robôs, destacam-se:
P á g i n a | 18
a) Teach-in
Na técnica de programação Teach-in, o posicionamento do robô é efetuado via
controle remoto ou e modo manual, cujo princípio é estabelecido na memorização dos
parâmetros de posição do robô [2].
b) Escravo
O método de programação escravo é semelhante ao processo Teach-in. Neste
caso, é utilizado outro robô para mover o que está sendo programado [2].
c) Programação off-line
No método de programação off-line o treinamento do robô é realizado por meio
do fornecimento de um conjunto de instruções definidas pelo computador, por exemplo,
coordenadas [2].
d) Programação Avançada
O método de programação avançada exige a utilização de softwares e
computadores de alto desempenho. O ambiente de trabalho do robô é modelado, um sistema
de controle realiza interpretações de comandos e sinais de sensores, podendo executar
facilmente tarefas de pick and place, por exemplo [2].
5.6
Modelagem de robôs manipuladores
A descrição de objetos como, elos e ferramentas do manipulador e corpos no
ambiente de trabalho, ou espaço tridimensional é de fundamental importância no estudo da
robótica. A esses objetos são relacionados os parâmetros de posição e orientação [3].
Geralmente, para realizar a descrição da posição e orientação de um objeto ou
corpo, deve ser fixado um sistema de coordenadas (Figura 14) ou plano tanto no manipulador,
como nos objetos que compõem o ambiente de trabalho do equipamento [3].
P á g i n a | 19
Figura 14 Sistema de coordenadas fixado ao manipulador e objetos [3].
5.6.1 Cinemática direta
O problema de cinemática direta é basicamente uma relação geométrica, sendo
realizado a partir dos ângulos das juntas do manipulador. Refere-se ao cálculo da posição e
orientação do plano da ferramenta em relação ao plano da base e ângulos das juntas, ou ainda,
é a representação da posição do manipulador no espaço cartesiano a partir do espaço das
juntas (Figura 15) [3].
Figura 15 Cinemática direta [3].
P á g i n a | 20
5.6.2 Representação de Denavit-Hartenberg
A cinemática direta pode ser obtida facilmente utilizando a representação de
Denavit-Hartenberg (Figura 16) [3].
Figura 16 Representação de Denavit-Hartenberg para cinemática direta [3].
O algoritmo de Denavit-Hartenberg divide-se em três etapas: definição dos
sistemas de coordenadas, definição dos parâmetros e construção da matriz de transformação
homogênea [3].
a) Sistemas de coordenadas
•
•
•
Defina o eixo ao longo do eixo da junta + 1. O eixo é definido na
direção do eixo se a junta é rotacional;
Defina no eixo e convenientemente;
Para = 1, … , − 1:
• Posicionar a origem onde a normal comum a e intersecta .
Se intersecta posicionar nesta intersecção. Se e são
paralelos, posicionar na junta + 1;
• Defina ao longo da normal comum a e com direção da junta para + 1 , ou na direção normal ao plano − se e se
intersectam;
P á g i n a | 21
•
•
Defina convenientemente ao longo do eixo (no centro da garra) e normal ao eixo ; e
Escolha para completar a “regra da mão direita”.
b) Definição dos parâmetros
•
Criar uma tabela dos parâmetros dos elos , , e ;
• : distância ao longo de da intersecção dos eixos e até ;
• : distância ao longo de até a intersecção dos eixos e
;
• é variável se a junta é prismática;
• : o ângulo entre e medido em torno de ;
• : o ângulo entre e medido em torno de . é variável se a
•
junta é rotativa;
substituindo os
Calcular as matrizes de transformação homogêneas parâmetros acima em (1); e
•
Calcular = … .
c) Matriz de transformação homogênea
A matriz de transformação homogênea entre os sistemas de coordenadas e
− 1 é representada pela equação tal. Sendo , , e , parâmetros do elo e junta , e
, , e , seno e cosseno dos ângulos e , respectivamente.
= − − !
0 0 0
0 1
(1)
P á g i n a | 22
5.6.3 Cinemática inversa
O problema de cinemática inversa é complexo, uma vez que, envolve equações
cinemáticas não lineares. O cálculo da cinemática inversa é realizado a partir da posição e
orientação do efetuador. Em particular, refere-se ao cálculo de todos os possíveis conjuntos de
ângulos das juntas que podem ser utilizados para atingir determinada posição e orientação do
efetuador, ou seja, possui múltiplas soluções (Figura 17). A existência ou não existência de
soluções define o espaço de trabalho do manipulador [3].
Figura 17 Cinemática inversa [3].
5.6.4 Jacobiana
A matriz Jacobiana representa o mapeamento das velocidades no espaço das
juntas para velocidades no espaço Cartesiano. Em pontos críticos, denominados
singularidades, a matriz Jacobiana não é inversível [3].
A Figura 18 apresenta a relação geométrica entre as velocidades relativas das
articulações e as velocidades do efetuador, que por sua vez podem ser descritas por essa
matriz. Além disso, a matriz Jacobiana também fornece os torques aplicados nas juntas
necessários para gerar uma força e um momento de contato do efetuador (Figura 19) [3].
P á g i n a | 23
Figura 18 Relação geométrica entre as velocidades das juntas e as velocidades linear e angular
do efetuador [3].
5.6.5 Dinâmica
A dinâmica é o campo de estudos das forças físicas aplicadas aos corpos em
movimento. A Figura 19 apresenta uma relação entre os torques aplicados nas juntas e o
movimento resultante do manipulador que se encontra incorporada nas equações dinâmicas de
movimento [3].
Figura 19 Relação entre os torques aplicados nas juntas e o movimento resultante do
manipulador [3].
5.6.6 Geração de trajetória
O controle de trajetória é aplicado a um manipulador quando existe a
necessidade de realizar um deslocamento entre dois pontos do espaço por um caminho
P á g i n a | 24
particular. Na Figura 20 o efetuador deve realizar o deslocamento do ponto A ao ponto B,
portanto, é necessário calcular uma trajetória para cada junta. Geralmente, cada junta, inicia e
termina seus movimentos no mesmo instante, o que provoca a sensação de coordenação entre
os movimentos do manipulador [3].
Figura 20 Controle de trajetória entre os pontos A e B [3].
5.6.7 Controle de posição
O controle de posição aplicado a um manipulador utiliza sensores nas juntas do
robô, tendo como objetivo manter a trajetória desejada para o equipamento [3]. A Figura 21
ilustra o controle de posição angular (θ1, θ2 e θ3) realizado nas juntas (1, 2 e 3) para seguir a
trajetória determinada pela linha entre os dois pontos.
Figura 21 Representação do controle de posição de um manipulador na execução de uma
trajetória [3].
P á g i n a | 25
5.6.8 Controle de força
O controle de força aplicado a um manipulador exerce uma função
complementar ao controle de posição. Por exemplo, a utilização de um robô manipulador em
tarefas que utilizam força durante um deslocamento necessita de um sistema de controle de
posição-força híbrido [3]. A Figura 22 ilustra o controle de posição aplicado no deslocamento
do manipulador de cima para baixo simultaneamente ao controle de força em relação ao
contato da ferramenta com a superfície hachurada.
Figura 22 Sistema de controle de força e posição do manipulador [3].
P á g i n a | 26
6
MATERIAIS
Nesta seção estão expostos os materiais, as ferramentas, os softwares e os
componentes eletrônicos que foram utilizados para o desenvolvimento do Pinocchio 5
DOF
,
sendo subdivididos em Mecânica, Eletrônica e Software.
6.1
Mecânica
No fluxograma da Figura 23 estão esquematizadas as etapas que compõem o
projeto mecânico do Pinocchio 5
DOF
. Inicialmente, com a utilização do software Solid Edge,
as peças foram desenhadas e dimensionadas, tomando como base o modelo de robô
manipulador de cinco graus de liberdade do projeto open source apresentado em [11]. A
matéria-prima para a confecção das peças foi selecionada levando-se em consideração
características como a densidade e facilidade de corte e retífica. Após o dimensionamento das
peças, as imagens foram transferidas para as placas de madeira e então fabricadas, por meio
de ferramentas de corte e retífica, como mostra o fluxograma da Figura 24. Após o
acabamento, as dimensões das peças foram medidas manualmente para avaliar sua
conformidade. As ferramentas e o software utilizados, assim como suas especificações estão
descritos nos subitens a seguir.
Figura 23 Fluxograma dos materiais da etapa mecânica.
P á g i n a | 27
Figura 24 Fluxograma de fabricação das peças da etapa mecânica.
6.1.1 Solid Edge
O software Solid Edge 2D foi utilizado durante este trabalho na fase de projeto
dos itens da estrutura mecânica.
O Solid Edge é um software que utiliza tecnologia para acelerar projetos,
revisões de engenharia e importação de dados. Realiza modelagem de peças e montagens,
detalhamentos, gerenciamento transparente de dados e completo sistema de análise de
elementos finitos. Além disso, diminui a necessidade de protótipos físicos, atendendo
a crescente demanda por projetos complexos e melhores produtos [12].
6.1.2 Matéria-prima
A matéria-prima utilizada na fabricação das peças é especificada como placa de
madeira do tipo MDF (Medium Density Fiberboard) de dimensões 300 x 500 x 3 mm, com
densidade de 0,65 g/cm2 (Figura 25).
P á g i n a | 28
Figura 25 Placa de madeira MDF.
6.1.3 Itens de fixação
Os itens comerciais de fixação utilizados são parafusos, barras roscadas,
arruelas e porcas. A Tabela 1 apresenta a descrição e quantidade dos itens utilizados no
projeto.
Tabela 1 Itens de fixação.
1
Arruela Lisa Zincada
5/32 pol.
Quant.
[un.]
42
2
3/16 pol.
6
3
Porca Sextava Zincada
5/32 pol.
42
4
3/16 pol.
25
5
Porca Sextavada Autofrenante
3 mm
23
6
Barra Rosqueável
5/32 pol. x 60 mm
7
7
Barra Rosqueável
3/16 pol. x 65 mm
5
8
Parafuso Fenda Cabeça Cilíndrica
3 x 12 mm
8
9
Parafuso Fenda Cabeça Cilíndrica
3 x 16 mm
3
10 Parafuso Fenda Cabeça Cilíndrica
3 x 20 mm
8
3 x 25 mm
4
3 x 40 mm
8
13 Parafuso Fenda Cabeça Panela Rosca Auto-atarraxante
2 x 5 mm
4
14 Parafuso Fenda Cabeça Panela Rosca Auto-atarraxante
2 x 10 mm
6
N°
Descrição
Dimensão
P á g i n a | 29
6.1.4 Micro Retífica Dremel
A Micro Retífica Dremel 110 V 130 W foi adquirida e utilizada na fase de
fabricação das peças para os processos de corte e ajustagem dos itens. Juntamente com a
retífica tem-se um cabo extensor flexível para trabalhos precisos e kit de ferramentas para
micro retífica (Figura 26).
Figura 26 Micro Retífica Dremel S 3000 110 V 130 W.
6.1.5 Furadeira de Bancada
A Furadeira de Bancada Hobby 1/3 HP Mono Motomil (Figura 27) foi
adquirida e utilizada na fase de fabricação das peças nos processos de furação e ajustagem dos
itens.
Figura 27 Furadeira de Bancada Hobby 1/3 HP Mono - Motomil.
P á g i n a | 30
6.1.6 Ferramentas manuais
As ferramentas manuais foram utilizadas na fabricação dos itens no processo
de ajustagem e montagem dos grupos do Pinocchio 5 DOF. Foram utilizadas ferramentas como:
chaves canhão e fixa, de fenda, Philips, alicates universal, de bico, corte e decapador, serra
manual, ferro de solda, estanho e termo-retrátil.
6.1.7 Itens de medição
O item de medição adquirido refere-se a um paquímetro Eccofer de 150 mm e
resolução de 0,025 mm (Figura 28).
Figura 28 Paquímetro Eccofer.
6.2
Eletrônica
No fluxograma da Figura 29 estão esquematizados todos componentes
eletrônicos e ferramentas empregados no projeto eletrônico do Pinocchio 5 DOF. A escolha de
cada item foi feita contemplando as especificações do projeto, sendo descritos detalhadamente
nos subitens a seguir.
P á g i n a | 31
Figura 29 Fluxograma dos materiais da etapa eletrônica.
6.2.1 Computador
O computador utilizado para implementação do software de controle e
comunicação serial refere-se a um notebook DELL Inspiron 1545, processador Pentium ®
Dual Core T 4200 2 GHz, memória de 3 GB RAM, sistema operacional 32 bits Windows 7
Home Premium.
6.2.2 Canal de comunicação
Comunicação serial USB (Universal Serial Bus) com cabo padrão USB A
macho para mini USB B macho (Figura 30).
Figura 30 Cabo de programação da placa de controle dos motores [13].
P á g i n a | 32
6.2.3 Placa de controle dos motores
O controlador Mini Maestro faz parte da segunda geração de controladores de
da empresa Pololu Robotics & Electronics. É utilizado em aplicações para controle de posição,
velocidade e aceleração de até 12 servomotores (Figura 31).
Figura 31 Controlador de servomotores Mini Maestro [13].
Os controladores de servo possuem interface USB nativa e algoritmos de
controle embarcado. Apresentam resolução de 0.25 µs e taxas de pulso de até 333 Hz. O Mini
Maestro possui 8 KB de memória para programação embarcada com possibilidade de
sincronizar aproximadamente três mil posições para o servo que podem ser reproduzidos
automaticamente de volta sem qualquer computador ou microcontrolador externo conectado.
Segue descrição das principais características:
•
Três métodos de controle: USB, TTL (5 V) e algoritmo embarcado;
•
Resolução de largura de pulso de saída 0.25µs (corresponde a 0,025 ° para um
servo típico);
•
Taxa de pulso configurável 1-333 Hz;
•
Faixa de pulso de largura de 64-4080 mS;
•
Velocidade Individual e controle de aceleração para cada canal;
•
Os canais podem ser opcionalmente configurados para ir para uma posição
específica ou desligar na inicialização ou erro;
•
Canais 0-11 podem ser configurados como entradas analógicas, canal 12,
entradas digitais; e
P á g i n a | 33
•
Canal PWM (Pulse Width Modulation) com frequência de 2,93 kHz a 12 MHz,
e até 10 bits de resolução.
A Figura 32 apresenta os principais componentes e conexões físicas da placa.
Figura 32 Visão superior do controlador de servomotores Mini Maestro [13].
A Figura 33 apresenta os principais pontos de tensão de alimentação da placa.
Figura 33 Visão inferior do controlador de servomotores Mini Maestro [13].
A Figura 34 apresenta o software de operação e programação da placa de
controle Pololu.
P á g i n a | 34
Figura 34 Central de controle do Mini Maestro [13].
6.2.4 Fonte de Alimentação
A fonte de alimentação POWER SUPPLY S-60-5 possui a especificação de
entrada 87-264V AC 1.41A 47-63Hz e saída +5V DC 12A. É utilizada para alimentar os
servomotores e o circuito lógico do controlador (Figura 35).
Figura 35 Fonte de alimentação.
P á g i n a | 35
6.2.5 Servomotores
Os servomotores utilizados são do tipo radio controlados para aeromodelismo
(Figura 36). A alimentação dos servomotores é realizada com os pares de fios marrom (0 VDC)
e vermelho (+5 VDC) e o sinal de controle pelo fio laranja (0 - 5 VDC). A Tabela 2 apresenta a
relação de motores utilizados no projeto [14].
Figura 36 Servomotor, cabo, conector, braços e conjunto para fixação [14].
Tabela 2 Servomotores.
Modelo
MG946R
Fabricante
Quant. [un.]
Tower Pro Pte Ltd
4
SG5010
Tower Pro Pte Ltd
1
SG90
Tower Pro Pte Ltd
1
E2K - 0508 E-SKY
6.3
1
Software
Nesta etapa são descritos os softwares MATLAB e Polulu Maestro Control
Center. O primeiro foi adotado para ao desenvolvimento das interfaces gráficas e
programação e, o segundo, para a configuração e programação dos controladores dos
servomotores, como esquematizado no fluxograma da Figura 37.
P á g i n a | 36
Figura 37 Fluxograma dos materiais da etapa de software.
6.3.1 MATLAB
O MATLAB (Matrix Laboratory) é um software de alto desempenho voltado
para o cálculo numérico. É possível trabalhar com o desenvolvimento de interfaces gráficas,
tratamento de arquivos de dados, manipulação de matrizes e programação. Além disso, o
software disponibiliza funções matemáticas dedicadas e pacotes de funções especializados em
determinadas áreas, como: economia, controle de sistemas, técnicas de inteligência artificial,
entre outros [15].
Além do estudo das principais funções do software MATLAB, foi realizado um
estudo aprofundado da ferramenta GUI (Graphical User Interface), scripts e funções. O GUI
trata-se de uma ferramenta para desenvolvimento de interfaces gráficas com o usuário, sendo
possível rodar funções ou scripts a partir de objetos inseridos na interface. Da mesma forma,
foi utilizada a ferramenta Robotics Toolbox for MATLAB - Realease 9 do professor Peter
Corke. Esta ferramenta apresenta diversas soluções para o estudo da robótica, contribuindo
sensivelmente com o presente trabalho [16].
P á g i n a | 37
6.3.2 Pololu Maestro Control Center
Os controladores de servomotores da Pololu são configurados e programados
com o software Pololu Maestro Control Center, ilustrado na Figura 38. A partir da interface
USB do Maestro tem-se o acesso a todas as opções de configuração, bem como suporte para
controle em tempo real, feedback, e depuração. O Maestro Control Center é uma ferramenta
gráfica que facilita o estudo de projeto, uma vez que é possível configurar rapidamente os
servomotores, sequências de movimentos e programar funções que são processadas no
próprio controlador [17].
Figura 38 Pololu Maestro Control Center [17].
P á g i n a | 38
7
METODOLOGIA
Nesta seção encontra-se toda metodologia aplicada nas etapas do projeto
mecânico, eletrônico e software do Pinocchio 5 DOF.
7.1
Mecânica
O projeto e confecção dos itens descritos no Capítulo 6 e nos desenhos técnicos das peças da
estrutura mecânica,
Tabela 4Tabela 4, é apresentado no fluxograma da Figura 39.
P á g i n a | 39
Figura 39 Fluxograma dos processos de desenvolvimento e produção dos itens da estrutura
mecânica do Pinocchio 5 DOF.
Na fase inicial do projeto foi realizado um brainstorm das configurações e
modos de funcionamento do dispositivo. A partir desta análise foram padronizadas as peças
mecânicas, que por sua vez foram projetadas no software Solid Edge 2 D. Em seguida, todos
os itens foram impressos em papel formato A4 em escala 1:1 e colados na superfície da
madeira. Após a etapa de colagem, realizou-se a usinagem, composta pelo corte do material
utilizando a Micro Retífica Dremel, furação por meio de uma furadeira de bancada e ajuste
das peças. O controle de qualidade de cada peça foi avaliado por meio de um estudo das
P á g i n a | 40
configurações de montagem e pelo controle das medidas. Em caso de reprovação do item, o
processo era retomado para o passo de projeto no software Solid Edge 2D e, caso aprovado,
era submetido à etapa de montagem.
7.2
Elétrica
No fluxograma da Figura 40 estão dispostas as etapas realizadas para a
execução do projeto eletrônico do Pinocchio 5 DOF.
Figura 40 Fluxograma da metodologia aplicada na etapa elétrica.
P á g i n a | 41
Na etapa inicial foram estabelecidas as especificações dos servomotores, do
controlador, dos cabos, dos conectores e da fonte de alimentação. A partir disso, foi efetuada a
compra de cada item, sendo testado assim que recebido. No caso de aprovado, o item foi
submetido à etapa de montagem e quando não apto à utilização, a etapa de especificação foi
retomada até a obtenção do item em conformidade com as especificações do projeto.
7.3
Software
Toda a metodologia aplicada na etapa de software está esquematizada na
Figura 41.
Figura 41 Fluxograma da metodologia aplicada na etapa de software.
P á g i n a | 42
Inicialmente foi construída a interface gráfica no MATLAB, considerando a
funcionalidade e operação, no qual foram definidos o layout da tela de operação e a definição
das funções. O protocolo de comunicação estabeleceu as funções do controlador. A partir
disso, foi realizada a programação do Pinocchio 5 DOF, sendo efetuados testes para verificar a
correta execução dos movimentos, nos seus cinco graus de liberdade, de acordo com o
comando enviado. No caso de reprovação, o item foi submetido novamente ao início da etapa
de Engenharia de Software, até alcançar o resultado esperado.
P á g i n a | 43
8
DESENVOLVIMENTO
O desenvolvimento deste projeto está embasado, fundamentalmente, na
estrutura mecânica, controle e acionamento dos motores e software de controle do Pinocchio
5
DOF
. Tendo a criação do software de navegação do sistema que controla o Pinocchio 5
DOF
como principal foco deste trabalho, procurou-se especificar produtos comerciais para integrar
os sistemas de hardware mecânico e eletrônico.
8.1
Mecânica
A partir da revisão bibliográfica apresentada anteriormente, fora eleita uma
estrutura mecânica simplificada e utilizada por diversos outros autores que atenderia as
necessidades deste trabalho (Figura 42).
O modelo adotado refere-se ao projeto open source de robô manipulador de
cinco graus de liberdade com um atuador para quatro graus, dois para um grau e, por fim,
outro atuador para o efetuador (garra). O autor utiliza servomotores para aeromodelismo
como atuadores dos graus de liberdade e madeira com espessura de 4 mm para confeccionar
as peças [11].
Figura 42 Robô manipulador de cinco graus de liberdade com projeto open source [11].
Para atualização e confecção dos desenhos técnicos das peças da estrutura mecânica foi
utilizado o software Solid Edge 2 D, totalizando 19 itens distribuídos em 5 grupos de
montagem, conforme Tabelas 3, 4 e 5.
P á g i n a | 44
Tabela 3 Grupos de montagem do Pinocchio 5 DOF.
Código do grupo
Descrição
Quant. [un.]
21,TCC001
Grau de liberdade 1
1
21,TCC002
Grau de liberdade 2
1
21,TCC003
Grau de liberdade 3
1
21,TCC004
Grau de liberdade 4
1
21,TCC005
Grau de liberdade 5 e efetuador da garra
1
Tabela 4 Itens de montagem do Pinocchio 5 DOF.
Código do item
0,TCC001
Placa suporte base
Descrição
Quant. [un.]
1
0,TCC002
Placa suporte motor grau de liberdade 1
1
0,TCC003
Placa suporte grau de liberdade 2
1
0,TCC004
Suporte motor grau de liberdade 2
2
0,TCC005
Braço acionador grau de liberdade 2 lado A
1
0,TCC006
Braço acionador grau de liberdade 2 lado B
1
0,TCC007
Suporte para eixo grau de liberdade 3 e 4
2
0,TCC008
Eixo para mancal do motor grau de liberdade 3 e 4
2
0,TCC009
Braço grau de liberdade 3
2
0,TCC010
Braço grau de liberdade 4 lado A
1
0,TCC011
Braço grau de liberdade 4 lado B
1
0,TCC012
Placa suporte motor grau de liberdade 5
1
0,TCC013
Placa de fixação motor grau de liberdade 5
1
0,TCC014
Placa base do efetuador da garra
1
0,TCC015
Placa suporte motor do efetuador da garra
1
0,TCC016
Espaçador engrenagem esquerda do efetuador da garra
1
0,TCC017
Engrenagem esquerda do efetuador da garra
1
0,TCC018
Engrenagem direita do efetuador da garra
1
0,TCC019
Espaçador das engrenagens efetuador da garra
1
0,TCC020
Alavanca anterior efetuador da garra
4
0,TCC021
Alavanca posterior efetuador da garra
4
P á g i n a | 45
Tabela 5 Composição dos grupos de montagem do Pinocchio 5 DOF.
Código do grupo Código do item
0,TCC001
21,TCC001
0,TCC002
0,TCC003
21,TCC002
0,TCC004
0,TCC005
0,TCC006
0,TCC007
21,TCC003
0,TCC008
0,TCC009
0,TCC010
21,TCC004
0,TCC011
0,TCC012
0,TCC013
0,TCC014
0,TCC015
0,TCC016
21,TCC005
0,TCC017
0,TCC018
0,TCC019
0,TCC020
0,TCC020
8.1.1 Modelagem
A modelagem da cinemática direta foi realizada conforme algoritmo da
representação de Denavit-Hartenberg, apresentada no Capítulo 5.
A estrutura do Pinocchio 5
DOF
e os respectivos sistemas de coordenadas são
apresentados na Figura 43. A Tabela 6 contém os parâmetros da representação de DenavitHartenberg.
P á g i n a | 46
Figura 43 Estrutura e sistemas de coordenadas do Pinocchio 5 DOF.
Tabela 6 Parâmetros da representação de Denavit-Hartenberg.
Elo
Parâmetros
di
αi
80 mm 90°
1
ai
0
2
121 mm
0
0°
θ2
3
122 mm
0
0°
θ3
4
0
0
-90°
θ4
5
0
142 mm
0°
θ5
θi
θ1
A matriz de transformação homogênea foi obtida por meio da execução, em
MATLAB, do algoritmo do Quadro 1. Sendo e o cosseno e seno da junta rotativa , com
variando de 1 a 5.
P á g i n a | 47
Quadro 1 Cálculo da matriz de transformação homogênea
close all
clear all
clc
a1
a2
a3
a4
a5
d1
d2
d3
d4
d5
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
0;
0.121;
0.122;
0;
0;
0.080;
0;
0;
0;
0.142;
alpha1
alpha2
alpha3
alpha4
alpha5
=
=
=
=
=
pi/2;
0;
0;
-pi/2;
0;
syms c1 c2 c3 c4 c5 ...
s1 s2 s3 s4 s5
a
d
f
c
s
=
=
=
=
=
[a1 a2 a3 a4 a5];
[d1 d2 d3 d4 d5];
[alpha1 alpha2 alpha3 alpha4 alpha5];
[c1 c2 c3 c4 c5];
[s1 s2 s3 s4 s5];
[nr,nc] = size(a);
for i = 1:nc
H(:,:,i) = [c(i) -s(i)*round(cos(f(i))) s(i)*round(sin(f(i)))
a(i)*c(i);
s(i) c(i)*round(cos(f(i))) -c(i)*round(sin(f(i)))
a(i)*s(i);
0
round(sin(f(i)))
round(cos(f(i)))
d(i);
0
0
0
1];
end
H_05 = H(:,:,1)*H(:,:,2)*H(:,:,3)*H(:,:,4)*H(:,:,5)
0 0 =
# =
0
0
1
0
0
0
0
0
0,080
1
# −# 0 0,121. #
#
0
0
#
0
0
0 0,121. #
1
0
(2)
0
1
(3)
P á g i n a | 48
#& =
& −& 0 0,122. &
&
0
0
&' =
'( =
( =
&
0 0,122. &
0
'
'
0
0
0
1
0
0
0
0
-1
0
1
−' 0
'
0
( −( 0
(
0
0
(
0
0
0
0
0
0
0
0
1 0,142
0
(5)
1
(6)
1
# & '
# ## #& #'
& &# && &'
(7)
' '# '& ''
= ( *' ( #& − # & ) − ' ( # & + & # )- − (
# = −( − ( *' ( #& − # & ) − ' ( # & + & # )& = −' ( # & + & # ) − ' ( # & − # & )
' = 0,121 # − 0,142' ( # & + &# ) − 0,142' ( # & − # & )
+ 0,122 # & − 0,122 # & )
# = ( ∗ (' ∗ (# ∗ & ∗ − ∗ # ∗ & ) − ' ∗ (# ∗ ∗ & + & ∗ ∗ # )) + ∗ (
(4)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
P á g i n a | 49
## = ∗ ( − ( ∗ (' ∗ (# ∗ & ∗ − ∗ # ∗ & ) − ' ∗ (# ∗ ∗ & + & ∗ ∗ # ))
#& = −' ∗ (# ∗ ∗ & + & ∗ ∗ # ) − ' ∗ (# ∗ & ∗ − ∗ # ∗ & )
#' = (121 ∗ # ∗ )/1000 − (71 ∗ ' ∗ (# ∗ ∗ & + & ∗ ∗ 2))/500 − (71
∗ 4 ∗ (# ∗ & ∗ − ∗ # ∗ & ))/500 + (61 ∗ # ∗ & ∗ )/500
− (61 ∗ ∗ # ∗ & )/500
& = ( ∗ (' ∗ (# ∗ & + & ∗ # ) + ' ∗ (# ∗ & − # ∗ 3))
&# = −( ∗ (' ∗ (# ∗ & + & ∗ # ) + ' ∗ (# ∗ & − # ∗ 3))
&& = ' ∗ (2 ∗ & − # ∗ & ) − ' ∗ (# ∗ 3 + & ∗ # )
&' = (121 ∗ # )/1000 + (61 ∗ # ∗ & )/500 + (61 ∗ & ∗ # )/500 + (71 ∗ '
∗ (# ∗ & − # ∗ & ))/500 − (71 ∗ ' ∗ (# ∗ & + & ∗ # ))/500
+ 2/25
' = 0
'# = 0
'& = 0
'' = 1
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
P á g i n a | 50
8.2
Elétrica
A Figura 44 apresenta o esquema elétrico de ligação do projeto eletrônico do
Pinocchio 5
DOF
contendo os componentes e detalhes de conexões elétricas. A Tabela 7
descreve cada item presente no diagrama.
Tabela 7 Lista de componentes do projeto eletrônico.
Item
Descrição
1A1 Controlador para servomotores Mini Maestro Pololu
1G1 Fonte de alimentação de corrente contínua + 5 VDC
1W1 Cabo USB A para Mini B
J1
Conexão para cabo de alimentação
J2
Borneira de ligação da fonte de corrente contínua
J3
Conector USB Mini B Fêmea
J4
Entrada alimentação circuito lógico (1) Negativo (2) Positivo
J5
Entrada alimentação servo motores (1) Negativo (2) Positivo
J6
Saída alimentação servomotores (1) Negativo (2) Positivo (3) Controle
J7
J8
J9
J10
J11
J12
J13
Conector DB 25 macho
J14
Conector DB 25 fêmea
M1
Servo motor grau de liberdade 1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
Servo motor grau de liberdade garra
S1
Chave liga/desliga alimentação da fonte de corrente contínua
P á g i n a | 51
Figura 44 Esquema elétrico de ligação do projeto eletrônico do Pinocchio 5 DOF.
P á g i n a | 52
8.3
Software
A operação do robô Pinocchio 5
DOF
é realizada utilizando a interface gráfica
programada no software MATLAB. A tela principal, contendo as principais funcionalidades, é
ilustrada nas Figura 45, Figura 46, Figura 47 e Tabela 8.
Figura 45 Interface gráfica para operação da Plataforma Pinocchio 5 DOF.
Figura 46 Interface gráfica para operação do módulo de comunicação.
Figura 47 Interface gráfica para aviso de limite de sequências alcançadas.
P á g i n a | 53
Tabela 8 Módulos e funções da plataforma de operação
Módulo
Operation
Platform
Data
Função
Graphic
Posição desejada do efetuador de acordo com o espaço de trabalho
Position
do robô. A posição real não foi implementada.
Position
Serial
ion Mode
Port
Connect
Disconne
ct
Auxiliary
Controls
Save As
robô. A posição real não foi implementada.
Habilita janela para operação da comunicação serial.
Cria o objeto de comunicação serial. Estabelece a comunicação
serial.
Encerra comunicação serial. Apaga o objeto de comunicação serial.
Exporta os parâmetros das juntas do módulo "Sequence Mode" para
um arquivo em formato do software Excel.
Importa os parâmetros das juntas salvos no arquivo exportado pela
Back
função "Save As".
Home
Mode
Posição desejada das juntas de acordo com o espaço de trabalho do
Read
Save
Automatic
trabalho, posição das juntas e do efetuador.
Gripper
Acquisition Joint
Communicat
Descrição
Gráfico de três coordenadas para visualização do espaço de
Home
Auto
Atualiza os parâmetros das juntas referentes à posição "Home".
Executa a cinemática direta do robô utilizando os parâmetros das
juntas referentes à posição "Home".
Executa a cinemática direta do robô utilizando os parâmetros das
juntas inseridos na caixa de texto.
Slider
Executa a cinemática direta do robô utilizando o parâmetro da junta
DOF 1
1 inserido na barra de rolagem.
Slider
DOF 2
Manual
Slider
Mode
DOF 3
Slider
DOF 4
Slider
DOF 5
P á g i n a | 54
Slider
Executa a abertura e fechamento da garra utilizando o parâmetro
Gripper
inserido na barra de rolagem.
Record
Grava na linha da tabela a posição atual das juntas.
Play
Sequence
Mode
Loop
Pause
Stop
Clear
Executa a cinemática direta da sequência de juntas presentes na
tabela.
Executa a cinemática direta da sequência de juntas presentes na
tabela de forma contínua.
Para a execução da cinemática direta na posição corrente do robô
Para a execução da cinemática direta movendo o robô para a
posição de "Home".
Limpa a última linha da tabela.
Clear All Limpa a tabela.
OK
Aceita o aviso e fecha a janela de diálogo.
Para criação da interface gráfica e dos diferentes tipos de controle foram
criados algoritmos tanto em formato de funções como roteiros no software MATLAB,
conforme Tabela 9.
P á g i n a | 55
Tabela 9 Algoritmos da plataforma de operação.
Tipo
Algoritmo
auto_mode.m
get_target.m
gui_operation.m
gui_sequence_warning.m
gui_serial.m
home_position.m
man_mode.m
normalize_d2r.m
normalize_d2us.m
normalize_p2b.m
Function normalize_us2p.m
read_auto_joint.m
read_position.m
read_target.m
save_home_position.m
send_data.m
sequence_clear.m
sequence_loop.m
sequence_play.m
sequence_save_as.m
update_data_plot.m
main_operation.m
main_serial.m
pb_serial_connect.m
Script
pb_serial_disconnect.m
sequence_pause.m
sequence_read_back.m
sequence_record.m
sequence_stop.m
P á g i n a | 56
9
ANÁLISE DE RESULTADOS
A plataforma de teste do Pinocchio 5
DOF
é apresentada na Figura 48 e os
detalhes da estrutura mecânica encontram-se na Figura 49. Com relação às classificações
apresentadas no Capítulo 5, o robô confeccionado caracteriza-se por:
•
Estrutura mecânica: robô de coordenadas de revolução (RRR);
•
Geração tecnológica: robô de 1ª geração;
•
Participação humana: ambiente não estruturado; e
•
Forma de programação: Teach-in.
O custo total do projeto, incluindo os materiais utilizados no projeto mecânico e eletrônico, é
de aproximadamente R$ 431,11, conforme Tabela 12 do Apêndice A.
Figura 48 Plataforma de teste do Pinocchio 5 DOF.
P á g i n a | 57
Figura 49 Estrutura completa do Pinocchio 5 DOF.
A estrutura mecânica obtida apresentou desempenho adequado nos
movimentos executados pelos motores. A estética e formato das peças contribuíram para
harmonia e montagem do dispositivo. O hardware eletrônico apresentou perfeitas condições
de funcionamento e operação. Da mesma forma, o software elaborado facilitou a operação do
equipamento, bem como executou com excelência todas as funções previamente propostas
durante o trabalho.
Foram definidas duas tabelas de sequências das juntas para avaliação do
projeto. A Tabela 10 refere-se aos parâmetros que descrevem movimentos aleatórios para
avaliar a harmonia dos movimentos, agilidade do Pinocchio 5
DOF
, região de trabalho e
operação da interface. A Tabela 11 propõe conjuntos de movimentos semelhantes ao da
Tabela 10, mas com atribuição de elevação de carga. Em ambos os casos, o Pinocchio 5
DOF
apresentou excelente comportamento, destacando a sequência de loop executada com carga.
Neste caso, o Pinocchio 5
DOF
efetuou a elevação, transporte e entrega da carga no mesmo
ponto inicialmente atribuído.
A carga utilizada refere-se a um paralelepípedo de espuma com dimensões
45x30x61 mm, conforme Figura 50.
P á g i n a | 58
Figura 50 Carga utilizada na avaliação do Pinocchio 5 DOF.
Tabela 10 Sequência de parâmetros das juntas para avaliação de movimento.
Sequência θ1 [°] θ2 [°] θ3 [°] θ4 [°] θ5 [°] θGARRA [°]
01
0
0
0
0
90
0
02
0
38
0
0
90
0
03
0
38
0
0
90
70
04
0
38
0
0
0
70
05
0
38
0
0
91
0
06
180
0
0
0
91
0
07
90
21
70
89
91
0
08
90
72
70
89
91
0
09
180
72
70
89
91
0
10
0
72
70
89
91
0
11
0
59
59
72
91
0
12
0
47
47
55
91
0
13
0
29
28
24
91
0
14
0
14
13
0
91
0
15
0
0
0
0
91
0
16
0
12
12
13
91
0
17
0
23
22
39
91
0
18
0
32
31
75
91
0
19
0
40
50
180
91
0
20
0
0
0
0
91
0
P á g i n a | 59
Tabela 11 Sequência de parâmetros das juntas para avaliação de movimento com transporte
de objeto.
Sequência θ1 [°] θ2 [°] θ3 [°] θ4 [°] θ5 [°] θGARRA [°]
01
0
45
0
0
90
0
02
0
45
0
0
180
0
03
0
45
0
0
180
70
04
0
34
0
0
180
70
05
0
0
0
0
180
70
06
0
0
0
0
180
30
07
0
72
0
0
91
30
08
180
19
70
85
91
30
09
0
19
70
85
0
30
10
180
19
70
85
180
30
11
180
72
70
180
180
30
12
0
72
70
180
180
30
13
22
7
7
0
89
30
14
81
7
70
0
89
30
15
180
7
0
85
180
30
16
0
72
0
0
180
30
17
0
0
0
0
180
30
18
0
0
0
0
180
70
19
180
0
0
0
91
0
20
0
45
0
0
90
0
P á g i n a | 60
10 CONCLUSÃO
O projeto do robô manipulador com cinco graus de liberdade, Pinocchio 5 DOF,
foi executado de maneira satisfatória e dentro do conjunto de objetivos propostos neste
trabalho foram obtidos bons resultados. O trabalho executado contemplou todas as etapas
envolvidas no projeto e implementação de um sistema mecatrônico a partir de uma
metodologia modular, onde cada parte principal (mecânica, eletrônica e software) foi
executada individualmente, com posterior integração entre os módulos.
O Trabalho de Conclusão de Curso do curso de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de São Carlos permitiu ao aluno conhecer de maneira objetiva e
qualitativa a rotina de projetos no campo da engenharia e pesquisa. As atividades
desenvolvidas proporcionaram emprego de conceitos absorvidos durante a graduação em
projetos reais aplicados ao mercado industrial, sobretudo, o processo de desenvolvimento de
software.
Além de colocar em prática o conhecimento técnico adquirido, a rotina de
trabalho exigiu comprometimento do aluno quanto ao gerenciamento de tempo e de projetos.
Concomitantemente, a organização, item imprescindível para um profissional, corroborou na
rotina diária de trabalho.
Em linhas gerais, o Trabalho de Conclusão de Curso promove a capacitação
profissional e prepara o aluno para o mercado de trabalho, propiciando o desenvolvimento de
habilidades, atitudes e competências individuais e coletivas. Desenvolve a responsabilidade e
comprometimento perante sua carreira, vinculando a sua percepção às próprias deficiências
técnicas e pessoais. Incentiva o exercício do senso crítico, estimula a criatividade e aprimora o
conhecimento tecnológico.
P á g i n a | 61
11 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Analisando o projeto em questão é possível elencar alguns trabalhos futuros
através de uma abordagem pontual.
•
Implementação da cinemática inversa;
•
Implementação de algoritmos de geração de trajetória;
•
Implementação de algoritmos com realimentação via imagem; e
•
Implementação das funções de leitura do protocolo.
Por outro lado, através de uma visão sistêmica do projeto, destacam-se as
seguintes oportunidades.
•
Reprojetar a estrutura mecânica inserindo melhorias no projeto;
•
Reprojetar o hardware eletrônico; e
•
Adaptar o software para essa nova estrutura.
P á g i n a | 62
12 REFERÊNCIAS
[1] ROSÁRIO, J. M. Princípios de Mecatrônica. São Paulo: Prentice Hall, 2005.
[2] INOUE, R. S. Notas de aula da disciplina de Robótica Industrial. Departamento de
Engenharia Elétrica. Universidade Federal de São Carlos, UFSCar. São Carlos, 2012.
[3] INOUE, R. S. Controle robusto descentralizado de movimentos coordenados de robôs
heterogêneos. PhD thesis, Tese (Doutorado - Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica e Área de Concentração em Sistemas Dinâmicos). Escola de Engenharia de São
Carlos da Universidade de São Paulo, 2011.
[4] ASMUS, B. F. et al. Braço mecânico para manipulação de PCI voltado à aplicações de
baixo custo. Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial. Instituto Federal de
Santa Catarina.
[5] SARAIVA, J. P. L.; MARANHÃO, J. R.; LISTO, T. L. A. Sistema de Controle de Braço
Automatizado. Engenharia de Computação. Instituto de Estudos Superiores da Amazônia.
Belém-PA, 2008.
[6] QUIGLEY, M.; ASBECK, A.; NG, A. A Low-cost Compilation 7-DOF Robotic
Manipulator. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Shanghai
Internationa Conference Center. Shanghai, China, May 0-13, 2011.
[7] FERNANDES, D. R.; NEVES, R. L. B.; MIRANDA, J. C. Manipulador Robótico.
Ciências da Computação. Centro Universitário do Sul de Minas, UNIS-MG.
[8] SANTOS, C. C. Robótica na Construção: uma aplicação prática. Departamento de
Engenharia Civil. Faculdade de Ciências e Tecnologia. Universidade de Coimbra. Coimbra,
Novembro de 2002.
[9] ROMANO, V.; SILVA, J. R. Robótica Industrial: Aplicação na Indústria de Manufatura e
Processos. 1ª ed. São Paulo: Edgar Blucher, 2002.
[10] OGASHAWARA, O. Notas de aula da disciplina de Iniciação a Engenharia.
Departamento de Engenharia Elétrica. Universidade Federal de São Carlos, UFSCar. São
Carlos, 2009.
[11] Robotic arm with 7 servos. Disponível em: <http://www.thingiverse.com/thing:2433>.
Acesso em: 08 de julho de 2013.
[12] Siemens Solid Edge. Disponível em:
<http://www.plm.automation.siemens.com/pt_br/products/velocity/solidedge/>.
Acesso em: 08 de julho de 2013.
P á g i n a | 63
[13] Pololu Robotics & Electronics. Disponível em:
<http://www.pololu.com/catalog/product/1352>. Acesso em: 08 de julho de 2013.
[14] Tower Pro. Disponível em: <http://www.towerpro.com.tw/>. Acesso em: 08 de julho de
2013.
[15] MATSUMOTO, E.Y. MATLAB® 6.5 Fundamentos de Programação. 9ª Ed. São Paulo:
Editora Érica Ltda, 2005.
[16] CORKE, P. Robotics Toolbox for MATLAB Release 9.6. July 2012.
[17] Pololu Maestro Servo Controller User’s Guide. 2001-2012 Pololu Corporation.
Disponível em: <http://www.pololu.com/docs/0J40/all>. Acesso em: 08 de julho de 2013.
P á g i n a | 64
APÊNDICE A - Custo e lista de peças do projeto
Tabela 12 Análise de custo do projeto.
N.
1
Descrição
2
3/16 pol.
6
R$ 0,05
R$ 0,30
3
5/32 pol.
42
R$ 0,05
R$ 2,10
4
3/16 pol.
25
R$ 0,05
R$ 1,25
3 mm
23
R$ 0,10
R$ 2,30
5
Dimensão
Quant. [un.] Preço [un.]
5/32 pol.
42
R$ 0,02
Porca Sextavada
Autofrenante
Total
R$ 0,84
6
Barra Rosqueável
5/32 pol. x 60 mm
7
R$ 0,12
R$ 0,84
7
Barra Rosqueável
3/16 pol. x 65 mm
5
R$ 0,12
R$ 0,60
3 x 12 mm
8
R$ 0,75
R$ 6,03
3 x 16 mm
3
R$ 0,86
R$ 2,58
3 x 20 mm
8
R$ 0,10
R$ 0,81
3 x 25 mm
4
R$ 0,11
R$ 0,45
3 x 40 mm
8
R$ 0,16
R$ 1,28
2 x 5 mm
4
R$ 0,48
R$ 1,93
2 x 10 mm
6
R$ 0,52
R$ 3,11
300 x 500 x 3 mm
0,15 m²
R$ 25,00
R$ 3,75
-
4
R$ 33,81
R$ 135,24
8
9
10
11
12
Parafuso Fenda Cabeça
Cilíndrica
Cilíndrica
Cilíndrica
Cilíndrica
Cilíndrica
13
Panela Rosca Autoatarraxante
14
Panela Rosca Autoatarraxante
15
16
MDF CRU 2750x1830x3
MM M2 1M2 T5
Servomotor Tower Pro
MG946R
P á g i n a | 65
N.
17
18
19
Descrição
Servomotor Tower Pro
SG5010
Servomotor Tower Pro SG90
Servomotor E-SKY - E2K 0508
Dimensão
Quant. [un.] Preço [un.]
Total
-
1
R$ 16,00
R$ 16,00
-
1
R$ 11,00
R$ 11,00
-
1
R$ 13,20
R$ 13,20
20
Cabo Flat Colorido
7 vias
10 m
R$ 2,00
R$ 20,00
21
Conector
3 vias
16
R$ 0,12
R$ 1,92
22
Terminal para conector
-
48
R$ 0,11
R$ 5,28
23
Barra de pinos
-
1
R$ 10,50
R$ 10,50
-
1
R$ 10,80
R$ 10,80
24
Cabo USB A para Mini
USB B
25
Conector DB 25 Macho
25 pinos
1
R$ 2,00
R$ 2,00
26
Conector DB 25 Fêmea
25 pinos
1
R$ 2,00
R$ 2,00
27
Capa para conector DB 25
-
1
R$ 2,00
R$ 2,00
28
Fita Hellerman
Pequena
1
R$ 13,00
R$ 13,00
29
Chave Liga/Desliga
2 posições
1
R$ 5,50
R$ 5,50
2 Vias
1
R$ 5,00
R$ 5,00
-
1
R$ 49,50
R$ 49,50
-
1
R$ 100,00
R$ 100,00
30
31
32
Cabo Força 2 Vias
Redondo
Fonte Industrial
Automática 5 VDC
Controlador Mini Maestro
Pololu
CUSTO TOTAL R$ 431,11

universidade federal de são carlos centro de ciências exatas e de

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