2010.2Monografia Edney

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Edney da Silva Souza

MANIPULAC

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AO DE OBJETOS UTILIZANDO UM ROB ˆ

O M ´

OVEL

FEIRA DE SANTANA 2010

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MANIPULAC

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AO DE OBJETOS UTILIZANDO UM ROB ˆ

O M ´

OVEL

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia de Computação da Universidade Estadual de Feira de Santana para a obtenção do t´ıtulo de Bacharel em Engenharia de Computação.

Orientador: Prof. Anfranserai Morais Dias

Feira de Santana 2010

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meu pai Expedito e minha mãe Terezinha, que me deram a vida com amor, e aos meus amigos que me apoiaram e compreenderem a minha ausência, durante a realização deste trabalho.

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A robótica é uma área de estudo em grande desenvolvimento nos dias atuais, pois permite automatizar tarefas, nos mais diversos campos da sociedade. Robôs submarinos, robôs domésticos, sondas interplanetárias, robôs desarmadores de bombas e até robôs que auxiliam pessoas com deficiência, são exemplos da sua utilização. Pesquisas e desenvolvimento na área são geralmente pioneiras e inovadoras, possibilitando a criação de equipamentos que possuem a capacidade de execução de tarefas espec´ıficas e com certo grau de risco, onde a precisão, eficiência e repetibilidade são caracter´ısticas imprescind´ıveis. Por isso, o projeto de um robô requer uma análise criteriosa sobre os mais diversos fatores envolvidos no processo de automação. Este documento trata do desenvolvimento de um robô móvel manipulador de objetos, constru´ıdo a partir de dois kits educacionais fornecidos pela empresa Lynxmotion. O primeiro, o kit AL5C é um braço robótico, também conhecido como manipulador robótico, o segundo, o Kit Tri-Track Robot é um robô móvel, com deslocamento por esteiras. Estes dois kits juntos, permitirão ao robô aqui proposto, manipular objetos e transportá-los em um ambiente livre de obstáculos. Tópicos como a modelagem cinemática direta e inversa, a geração de trajetória, a implementação da comunicação utilizando a linguagem de programação Java e sua intefaceJavacomm, serão abordados para o entendimento do projeto e posterior compreensão de como estes conceitos são aplicados à este caso espec´ıfico.

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Robotics is an area of study in major development today, it allows you to automate tasks in various fields of society. Underwater robots, domestic robots, interplanetary probes, bomb disposal robots and robots that assist people with disabilities are examples of the use of robotic technology in society’s benefit. Research and development in robotics are often pioneering and innovative, allowing you to create devices that are capable of performing specific tasks with any degree of risk, where precision, efficiency and repeatability are essential characteristics. Therefore, the design of a robot requires a careful analysis of the various factors involved in the automation process. This document deals with the development of a robot manipulator of objects, built from two educational kits supplied by the company Lynxmotion. The first, the AL5C is a robotic arm, also known as robotic manipulator, the second, the Tri-Track Robot Kit is a mobile robot, with displacement by mats. These two kits together, allow the robot proposed here, manipulate objects and transport them in an environment free of obstacles. Topics such as forward and inverse kinematics model, the trajectory generation, implementation of communication using the Java programming language and its JavaComm inteface will be addressed to understand the project and further understanding of how these concepts are applied to this case.

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Figura 1 Estrutura de Dispositivos Rob´oticos (FORESTI, 2006) . . . 14

Figura 2 Robˆo m´ovel submarino - ALIVE (ROBOTICS, 2010) . . . 15

Figura 3 Robô móvel aéreo - Pathfinder (AERONAUTICS; ADMINISTRATION, 2010) . . . 16

Figura 4 Robˆo m´ovel terrestre - Mer-B (AERONAUTICS; ADMINISTRATION, 2009) . . . . 16

Figura 5 Manipulador Rob´otico (BARRIENTOS et al., 1997) . . . 17

Figura 6 Robˆo militar com esteiras (HOWSTUFFWORKS, 2010) . . . 19

Figura 7 Cinem´atica Direta e Inversa - adaptado de (BARRIENTOS et al., 1997) . . . 20

Figura 8 Notação Denavit Hartenberg (ROSáRIO, 2005) . . . 21

Figura 9 Servo motor desmontado (NAVARRO, 2010) . . . 25

Figura 10 Exemplo de posic¸˜oes adotadas por um servo motor (NAVARRO, 2010) . . . 26

Figura 11 Formato t´ıpico de um pacote serial ass´ıncrono (BARCELOS, 2010) . . . 29

Figura 12 Conector DB9 (BARCELOS, 2010) . . . 31

Figura 13 Proposta do projeto. . . 36

Figura 14 Brac¸o Rob´otico AL5C (LINXMOTION, 2010) . . . 37

Figura 15 Kit Tri-Track Robot(LINXMOTION, 2010) . . . 37

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Figura 18 Esquema de Ligac¸˜ao do AL5C - adaptado de (LINXMOTION, 2010) . . . 44

Figura 19 Esquema de Ligac¸˜ao do Kit Tri-Track Robot - adaptado de (LINXMOTION, 2010) . . . 45

Figura 20 Chaves de configurac¸˜ao da placa Sabertooth (LINXMOTION, 2010) . . . 46

Figura 21 Panorama do sistema robótico completo - adaptado de (LINXMOTION, 2010) 47 Figura 22 Diagrama dos Módulos de software para o sistema robótico . . . 48

Figura 23 Tela principal do software desenvolvido . . . 49

Figura 24 Tela Movimentos Manipulador . . . 50

Figura 25 Tela Movimentos Explorador . . . 51

Figura 26 Tela Manipulador + Explorador . . . 52

Figura 27 Tela de Configuração da Comunicação Serial . . . 53

Figura 28 Modelo manipulador AL5C . . . 54

Figura 29 Cinem´atica explorador . . . 56

Figura 30 Exemplo de trajet´oria para as coordenadas de X e Y no tempo . . . 59

Figura 31 Tela do LynxTerminal - (LINXMOTION, 2010) . . . 60

Figura 32 Gr´afico da trajet´oria manipulador AL5C (Teste 1) . . . 63

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Tabela 1 Comunicac¸˜ao Serial - RS232C - Pinagem DB9 . . . 31

Tabela 2 Conjunto de Instruc¸˜oes para SSC-32 . . . 38

Tabela 3 Parˆametros Denavit-Hartenberg AL5C . . . 54

Tabela 4 Valores para o controle dos movimentos do sistema rob´otico . . . 58

Tabela 5 Teste de posicionamento do manipulador AL5C . . . 61

Tabela 6 Resultado dos testes de posicionamento do manipulador AL5C . . . 62

Tabela 7 Teste de locomoc¸˜ao Kit Tri-Track Robot . . . 65

Tabela 8 Resultado dos testes de locomoc¸˜ao Kit Tri-Track Robot . . . 65

Tabela 9 Testes da Tarefa 1 . . . 66

Tabela 10 Testes da Tarefa 2 . . . 67

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API Application Programming Interface

ASCII American Standard Code for Information Interchange

CD Carrier Detect

CTS Clear to Send

DH Denavit-Hartenberg

DSR Data Set Ready

DTR Data Terminal Ready

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory EIA Electronic Industries Association

LSB Least significant Bit

PCM Pulse Coded Modulation

RD Receive Data RI Ring Indicator RS Recomended Standard RTS Request to Send TD Transmit Data TTL Transistor-Transistor Logic

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1 INTRODUC¸ ˜AO . . . 11

2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA . . . 13

2.1 Estrutura dos sistemas rob´oticos . . . 13

2.2 Categorias b´asicas dos robˆos . . . 14

2.2.1 Robˆos manipuladores . . . 14

2.2.2 Robˆos M´oveis . . . 15

2.3 Aspectos construtivos de robˆos manipuladores . . . 16

2.3.1 Juntas rob´oticas . . . 17

2.3.2 Elos ou v´ınculos . . . 18

2.3.3 Graus de liberdade . . . 18

2.4 Aspectos construtivos de robˆos exploradores . . . 18

2.5 Modelagem cinem´atica de robˆos manipuladores . . . 20

2.5.1 Notação de Denavit-Hartenberg . . . 20 2.5.2 Cinemática direta . . . 23 2.5.3 Cinemática inversa . . . 23 2.5.4 Geração de trajetória . . . 24 2.6 Servo Motores . . . 25 2.7 Comunicação Serial - RS232 . . . 26

2.7.1 Conceito de comunicac¸˜ao de dados . . . 27

2.7.2 Canal de comunicac¸˜ao . . . 27

2.7.3 Processo de transmiss˜ao serial . . . 28

2.7.4 Taxa de transferˆencia (Baud Rate) . . . 29

2.7.5 Checksume paridade . . . 30

2.7.6 Interface serial RS232 . . . 30

3 METODOLOGIA . . . 32

3.1 Lista de Atividades . . . 32

3.2 Desenvolvimento e validação da modelagem matemática . . . 33

3.3 Comunicac¸˜ao serial . . . 34

3.4 Testes de integrac¸˜ao . . . 34

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4.3 Conex˜oes do robˆo AL5C + Kit Tri-Track Robot . . . 39

4.4 Comunicac¸˜ao serial em JAVA . . . 41

5 DESENVOLVIMENTO . . . 43

5.1 Montagem dos componentes de Hardware . . . 43

5.2 Componentes de Software . . . 47

5.2.1 M´odulo de interface com o usu´ario . . . 48

5.2.2 Módulo de comunicação serial . . . 52

5.2.3 M´odulo da modelagem cinem´atica . . . 53

5.2.4 M´odulo de acionamento . . . 56

5.2.5 Módulo de geração de trajetória . . . 58

6 TESTES E AN ´ALISE DOS RESULTADOS . . . 60

6.1 Testes manipulador . . . 61

6.2 Testes explorador . . . 64

6.3 Testes sistema completo . . . 66

7 CONCLUS ˜AO . . . 68

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1 INTRODUC¸ ˜AO

Os avanços tecnológicos trazem grandes benef´ıcios à sociedade em geral. Exemplos destes benef´ıcios são: equipamentos automatizados, aperfeiçoamento dos meios de transporte e das técnicas aplicadas em construção civil, e até mesmo no campo da biologia encontra-se a utilização destas vantagens trazidas pelos avanços tecnológicos.

Robótica é uma das áreas de estudo que vem contribuindo, significativamente, para que os seres humanos possam realizar tarefas que antigamente eram praticamente imposs´ıveis, manualmente, e que hoje são realizadas de maneira rápida e eficaz, com a ajuda de equipamentos robotizados.

Um exemplo de aplicação da robótica é o manipulador utilizado nas indústrias automobil´ısticas, que consegue realizar o trabalho de fabricar um automóvel de maneira rápida e precisa, chegando a produzir, em série e com perfeição, uma média de cento e cinco mil unidades por mês (ANTT, 2010). Esta quantidade não poderia ser alcançada por linhas de produção com sistemas mecânicos tradicionais, devido às limitações impostas, principalmente, pela manipulação humana no maquinário.

Outras aplicações em que os robôs manipuladores se destacam, são as tarefas em área classificada, ambientes de dif´ıcil acesso ou até mesmo ambientes hostis onde é grande o risco oferecido aos seres humanos, impossibilitando que tais tarefas possam ser realizadas manualmente. Um exemplo deste tipo de aplicação é o robô MER-B (Opportunity) que explora o solo do planeta Marte, coletando amostras de rocha e fotografando o solo marciano. Inicialmente a proposta era que o robô permanecesse em solo marciano por apenas três meses, porém ele está completando dois anos em plena atividade (AERONAUTICS; ADMINISTRATION, 2009).

Robôs inspetores, robôs desarmadores de bombas, robôs exploradores de terrenos acidentados e outros tipos existentes, já são comercializados mundialmente, porém, destes citados acima, nenhum possui tecnologia genuinamente desenvolvida no Brasil.

´

E poss´ıvel adquirir um robô móvel manipulador de objetos, mas, são poucas empresas brasileiras que comercializam equipamentos e soluções na área de robótica móvel, obrigando os clientes a buscarem soluções importadas.

No Brasil e, mais especificamente, na Bahia, trabalhos de pesquisa e desenvolvimento na área de Robótica Móvel são considerados pioneiros e podem trazer grandes benef´ıcios para o desenvolvimento sócio-econômico da região. Um dos objetivos do desenvolvimento de

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tecnologia na área de robótica móvel na Bahia é a popularização de soluções de automação para sistemas mecânicos, tornando o preço acess´ıvel para a aquisição de equipamentos robotizados, e por conseqüência, barateamento no custo da produção de novos produtos e aumento na velocidade de produção.

O desenvolvimento de um manipulador robotizado por si só não confere a uma região o sucesso total em termos de avanço tecnológico, porém é um passo inicial para abrir novas pesquisas na área, estimulando os investimentos em tecnologia para a região.

Este trabalho trata da análise, desenvolvimento e teste de um robô móvel manipulador de objetos, constru´ıdo a partir de dois kits educacionais fornecidos pela empresa Lynxmotion. O primeiro, o kit AL5C é um braço robótico, também conhecido como manipulador robótico, o segundo, o Kit Tri-Track Robot é um robô móvel, com deslocamento por esteiras. Estes dois kits juntos, permitirão ao robô aqui proposto, manipular objetos e transportá-los em um ambiente livre de obstáculos. Na seção 2 serão abordadas todas as técnicas necessárias para o entendimento do funcionamento de um robô, detalhando seus tipos, partes constituintes inclusive com noções introdutórias sobre conceitos básicos de robótica que serão necessários à compreensão do projeto como um todo.

Na seção seguinte serão apresentados detalhes sobre a modelagem matemática para robôs móveis e manipuladores que servirá de base para a implementação dos algoritmos que controlam o seu funcionamento, além de detalhes sobre a cinemática aplicada para o projeto de robôs.

Serão apresentados também detalhes sobre o robô AL5C com o Kit Tri-Track Robot do fabricante Linxmotion, com informações sobre os algoritmos que se pretende implementar para seu devido funcionamento.

E, por fim, de maneira resumida, serão apresentados os objetivos já alcançados no projeto do robô móvel manipulador de objetos, finalizando com uma análise conclusiva a respeito deste projeto.

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2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA

Este tópico trata de todo o embasamento teórico necessário para o estudo do desenvolvimento de aplicações que utilizem robôs móveis e manipuladores robóticos. Serão mostrados a seguir conceitos e técnicas utilizadas, que serão de suma importância para o entendimento dos cálculos e decisões de projetos realizados nas fases subseqüentes.

2.1 Estrutura dos sistemas rob´oticos

Um sistema robótico, seja ele projetado por engenheiros, pesquisadores ou estudantes no campo da robótica, mecatrônica ou inteligência artificial, deve possuir uma estrutura básica composta dos seguintes componentes (BRAGA, 2002):

• Sistema de Controle: determina a força, posição e velocidade dos seus componentes móveis a partir de sinais obtidos do sistema inteligente ou mesmo através de sinais externos podendo ser oriundos também de sensores;

• Drivers: são dispositivos responsáveis pelo envio de informações oriundas do sistema de controle para os atuadores. Eles são responsáveis por realizar a compatibilização dos sinais de tal forma que os mais diferentes tipos de atuadores possam ser controlados; • Atuadores: são equipamentos capazes de converter a energia elétrica fornecida pelo

sistema de alimentação e controlados pelos drivers em movimento mecânico;

• Sensores: são responsáveis por adquirir (sentir) o ambiente ou até mesmo as condições atuais do próprio sistema robótico, funcionando como feedback para o sistema de inteligência;

• Sistema de Inteligência: é considerado o centro de processamento do sistema robótico, pois é nele que são processadas as informações obtidas pelos sensores e são deliberadas ações em forma de sinais para o sistema de controle.

Um sistema que possui inteligência é capaz de tomar suas próprias decisões ou até mesmo armazenar experiência adquirida através de um supervisor, a qual será de grande utilidade para a tomada de decisões futuras.

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Além dos componentes citados, os sistemas robóticos também devem possuir um fornecimento de energia, seja ela através de baterias ou uma fonte de alimentação externa, capaz de suportar a carga do somatório das potências dos sub-sistemas.

Devido ao fato de um sistema robótico ser composto por vários sub-sistemas especializados em realizar uma dada tarefa componente para o funcionamento do robô, algumas literaturas classificam os robôs como Sistemas Embarcados (ROSáRIO, 2005). A Figura 4 demonstra, de maneira resumida, a estrutura básica de um sistema robótico.

Figura 1: Estrutura de Dispositivos Rob´oticos (FORESTI, 2006)

2.2 Categorias b´asicas dos robˆos

Os robôs podem ser divididos em duas categorias básicas que são: os manipuladores e os robôs móveis (ROSáRIO, 2005).

2.2.1 Robˆos manipuladores

O robô manipulador consiste em um braço mecânico motorizado programável que apresenta algumas caracter´ısticas antropomórficas e um cérebro na forma de um computador que controla seus movimentos (ROSáRIO, 2005).

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Em analogia ao braço humano, o manipulador executa movimentos das suas partes constituintes, segundo uma pré-programação armazenada no seu sistema de controle e pode repet´ı-las fielmente indefinidamente, bastando que seja programado para tal.

Caracter´ısticas mais detalhadas sobre os manipuladores ser˜ao abordadas em t´opicos posteriores.

2.2.2 Robˆos M´oveis

Os robôs móveis podem ser classificados de acordo com o ambiente em que estão inseridos e suas respectivas missões a serem executadas (VALAVANIS; GRACANIN, 1997).

• Robôs Móveis Submarinos Não Tripulados: são utilizados para realizar tarefas subaquáticas em dutos, lagos e represas; trabalhos em profundidade; exploração de petróleo; inspeção e conserto de cabos submarinos e outras atividades. A sua formação estrutural deve permitir uma boa vedação e possuir resistência a altas pressões devido ao ambiente em que irão trabalhar;

Figura 2: Robˆo m´ovel submarino - ALIVE (ROBOTICS, 2010)

• Robôs Móveis Aéreos Não Tripulados: inicialmente projetado para fins militares, os robôs móveis aéreos são utilizados para mapeamento de território, reconhecimento de desastres naturais, inspeções de redes de energia elétrica e outras atividades ligadas ao fato deste equipamento poder realizar vôos coordenados por um sistema de controle normalmente embutidos na sua própria estrutura;

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Figura 3: Robô móvel aéreo - Pathfinder (AERONAUTICS; ADMINISTRATION, 2010)

• Robôs Móveis Terrestres Não Tripulados: utilizados para realizar tarefa em solo, geralmente onde a presença do ser humano não é aconselhada devido ao risco apresentado pelo ambiente hostil. Também são muito utilizados em (chão de fábrica) para realizar tarefas repetitivas e de alta precisão. Pode ser utilizado também no desarmamento de bombas ou até mesmo para fins de exploração de terrenos, neste último caso recebem a nomenclatura de robôs exploradores.

Figura 4: Robˆo m´ovel terrestre - Mer-B (AERONAUTICS; ADMINISTRATION, 2009)

Os robôs exploradores serão melhor abordados nos tópicos posteriores pelo fato de serem um dos objetos de estudo deste documento.

2.3 Aspectos construtivos de robˆos manipuladores

Os manipuladores robóticos possuem caracter´ısticas construtivas análogas ao braço de um ser humano, entretanto diferencia-se, por ser constitu´ıdo por peças mecânicas que tem seus movimentos relativos controlados por um equipamento computacional.

Os manipuladores são normalmente formados por um conjunto de corpos r´ıgidos ligados em série por intermédio de juntas, formando uma cadeia cinemática aberta, onde uma das extremidades do manipulador encontra-se rigidamente ligada a uma base fixa, enquanto que

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a extremidade oposta suporta o efetuador que pode mover-se livremente no espac¸o (LOPES, 2001).

Este tipo de robô é muito utilizado na indústria para realizar montagens em linhas de produção que necessite de uma alta precisão e fidelidade na repetição dos movimentos. Trabalhos de soldagem, corte e pintura de peças complexas, manipulação, paletização de materiais, montagem e acabamento são exemplos destas aplicações. A Figura 5 apresenta um manipulador robótico, destacando suas partes constituintes.

Figura 5: Manipulador Rob´otico (BARRIENTOS et al., 1997)

2.3.1 Juntas rob´oticas

O braço robótico é capaz de se mover em varias direções devido à existência de juntas ou uniões também denominadas de “eixos”.

Os tipos de juntas robóticas mais comuns são (ROSáRIO, 2005):

• Juntas Prismáticas: permitem o movimento linear entre dois elos e são compostas de dois v´ınculos alinhados um dentro do outro; o v´ınculo interno desliza em relação ao externo e dá origem ao movimento linear;

• Juntas Rotacionais: possibilita o movimento de rotação entre dois elos unidos por uma dobradiça comum. As juntas rotacionais são utilizadas em equipamentos ou ferramentas tais como em tesouras, limpadores de pára-brisa e dobradiças de portas;

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• Juntas tipo Bola-e-encaixe: promovem o movimento como a combinação de três juntas rotacionais, permitindo movimentos de rotação em torno dos três eixos.

2.3.2 Elos ou v´ınculos

Elos ou v´ınculos são peças r´ıgidas que interligam duas juntas e funcionam como a estrutura f´ısica do próprio braço robótico, também são conhecidos com a nomenclatura de links devido ao fato de permitirem a ligação entre estas juntas (ROSáRIO, 2005).

Geralmente os elos são feitos de material r´ıgido projetados para suportar as cargas às quais o robô foi projetado para manipular.

2.3.3 Graus de liberdade

O número do grau de liberdade de um braço robótico geralmente está associado com a quantidade de articulações. Logo, quando o movimento relativo se dá em um único eixo tem-se então um grau de liberdade. Quando o movimento acontece em mais de um eixo, a articulação apresenta dois graus de liberdade. Grande parte dos braços robóticos industriais possui entre quatro e seis graus de liberdade (ROSáRIO, 2005).

2.4 Aspectos construtivos de robˆos exploradores

Os robôs exploradores são uma subcategoria dos robôs móveis, ou ainda, conhecidos como, ve´ıculos auto-guiados para fins de exploração. Este tipo de robô se diferencia dos manipuladores pelo fato de poderem se locomover dentro de um ambiente livre, não sendo limitado por uma posição fixa imposta por sua base, como no caso dos braços robóticos (FORESTI, 2006).

Na maior parte dos casos os robôs exploradores são utilizados para realizar tarefas em locais insalubres, de dif´ıcil acesso ou que ofereçam risco de vida para o ser humano.

No caso dos robôs exploradores mar´ıtimos, eles possuem sistemas de propulsão para mergulho, espec´ıfico para a sua atividade e no caso dos robôs exploradores aéreos, possuem artif´ıcios que o permita voar, tão qual como um avião ou helicóptero, porém, mais detalhes

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sobre essas tecnologias não serão abordados neste documento, devido ao fato de se distanciarem da proposta do projeto de um robô que executará tarefas, meramente terrestres.

Os robôs móveis terrestres ou ve´ıculos exploradores terrestres, podem possuir sistema de locomoção equipados com rodas ou com esteiras, e possuem formato semelhante aos ve´ıculos tradicionais com as rodas laterais dispostas em duas linhas. Ou poderiam ser formados ainda por três rodas como em um ve´ıculo do tipo triciclo.

O tamanho das rodas do robô explorador influencia diretamente na velocidade que ele pode alcançar, e a medida da distância percorrida poderá ser medida através de um odômetro, porém, estas medidas, às vezes possuem alguns pequenos erros de aproximação por causa da derrapagem das rodas durante o percurso (MCCOMB, 2004).

Por outro lado, os robôs móveis dotados de esteiras, apesar de possu´ırem basicamente o mesmo aspecto dos robôs compostos de rodas, as suas esteiras lhe permitem transpor obstáculos com maior facilidade, portanto são utilizados em terrenos acidentados e pantanosos. A Figura 6 mostra um robô móvel com sistema de locomoção por esteiras para fins militares, o MATILDA.

Figura 6: Robˆo militar com esteiras (HOWSTUFFWORKS, 2010)

Além dos tipos citados anteriormente, existem, ainda, os robôs móveis com sistema de locomoção por pernas articuladas. O controle de sistemas de locomoção por pernas é bastante complexo, chegando a possuir 18 graus de liberdade, no caso dos hexápodes, que são robôs com seis pernas no formato de um inseto.

A partir do século XX, deu-se o surgimento dos robôs com locomoção por duas pernas, eles são chamados de robôs b´ıpedes e se aproximam muito das caracter´ısticas de locomoção do homem.

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2.5 Modelagem cinem´atica de robˆos manipuladores

Para o projeto e construção de robôs manipuladores torna-se necessário modelá-los matematicamente para definir o comportamento das suas partes constituintes de maneira precisa e inter-relacionadas.

A cinemática dos robôs manipuladores tem como objetivo estudar o movimento dos mesmos em relação a um sistema de referência. Assim, a cinemática se interessa pela descrição anal´ıtica do movimento do robô em função do tempo e, em particular, com a posição e orientação do efetuador em relação aos valores adotados pelos seu ângulos de junta.

Existem dois problemas a resolver quando se estuda a modelagem cinemática de um robô. O primeiro deles é conhecido como Cinemática Direta, e consiste em determinar qual a posição e orientação da extremidade final do robô em relação a um sistema de coordenadas tomado como referência, dada uma configuração de suas juntas.

O segundo problema é chamado de Cinemática Inversa, que diz respeito à configuração que o robô deve adotar para uma posição e orientação da extremidade conhecida.

Denavit e Hartenberg, em 1955, propuseram um método sistemático para descobrir e representar a geometria espacial dos elementos de uma cadeia cinemática e em particular de um robô, com relação a um sistema de referência fixo.

Figura 7: Cinem´atica Direta e Inversa - adaptado de (BARRIENTOS et al., 1997)

2.5.1 Notac¸˜ao de Denavit-Hartenberg

Em um robô, a evolução das coordenadas das juntas em relação ao tempo representa o modelo cinemático de um sistema articulado no espaço tridimensional. A notação de Denavit-Hartenberg (DH) é uma ferramenta utilizada para sistematizar a descrição cinemática de sistemas mecânicos articulados com n graus de liberdade (DENAVIT, 1955).

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os quais descrevem completamente o comportamento cinemático de uma junta prismática ou rotacional. Na Figura 8 são indicados esses parâmetros, posicionados sobre um manipulador (ROSáRIO, 2005):

Figura 8: Notação Denavit Hartenberg (ROSáRIO, 2005)

• θi: ´e o ˆangulo de junta obtido entre os eixos Xi−1 e Xisobre o eixo Zi−1;

• di: é a distância entre a origem do (i-1)-ésimo sistema de coordenadas até a intersecção

do eixo Zi−1com o Xiao longo do eixo Zi−1;

• ai: é o comprimento do elo, medido entre a intersecção do eixo Zi−1 com o eixo Xiaté a

origem do i-ésimo sistema de referência ao longo do eixo Xi(ou a menor distância entre

os eixos Zi−1e Zi);

• αi: é o ângulo de torção, medido entre os eixos Zi−1 e Zi medidos sobre o eixo Xi

(usando-se a regra da m˜ao direita).

Para uma junta rotacional, di, ai e αi s˜ao os parˆametros de junta, cujo valor varia na

rotação do elo i em relação ao elo i-1. Para uma junta prismática θi, ai e αisão os parâmetros

da junta, enquanto di ´e a vari´avel de junta (deslocamento linear).

Com os sistemas de coordenada DH estabelecidos, uma matriz de transformação homogênea pode facilmente ser desenvolvida relacionando-se o i-ésimo ao (i-1)-ésimo referencial de coordenadas, bastando apenas, realizar quatro transformações (CRAIG, 1989):

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• A primeira transformação, consiste em uma rotação em torno do eixo de Zi−1, de um

ˆangulo θi, medido segundo a regra da m˜ao direita, de forma a alinhar Xi−1com Xi;

• A segunda transformação é uma translação ao longo do eixo Zi−1, de uma distância di,

medida a partir do ponto de origem do elo anterior, at´e encontrar a intercess˜ao do normal comum entre Zi−1e Zi;

• A terceira transformação, consiste em uma translação ao longo do eixo Xi, de uma

distância ai, partindo-se do ponto de intercessão do eixo Zi−1com a normal, até encontrar

o eixo Zi;

• A quarta transformação consiste em uma rotação em torno do eixo X_i, de um ângulo αi,

medido segundo a regra da m˜ao direita, de forma a alinhar o eixo Zi−1com o eixo Zi.

Assim, tem-se em resumo, as seguintes transformac¸˜oes:

i−1_A

i= Rot(z, θi) × Trans(z, di) × Trans(x, ai) × Rot(x, αi) (2.1)

Onde os s´ımbolos Rot e Trans significam respectivamente transformações de rotação e de translação. Em termos de transformações homogêneas, tem-se o seguinte:

i−1_A i=        cosθi −senθi 0 0 senθi cosθi 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1               1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 di 0 0 0 1               1 0 0 ai 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1               1 0 0 0 0 cosαi −senαi 0 0 senαi cosαi 0 0 0 0 1        (2.2) E por final, resulta na Equação 2.3 que será utilizada para transformação de cada sistema de coordenadas. i−1_A i=       

cosθi −cosαisenθi senαisenθi aicosθi

senθi cosαisenθi −senαicosθi aisenθi

0 senαi cosαi di 0 0 0 1        (2.3)

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2.5.2 Cinem´atica direta

A modelagem cinemática direta se utiliza, fundamentalmente, da álgebra vetorial e matricial para representar e descrever a localização de um objeto no espaço tridimensional em relação a um referencial fixo. Visto que um robô pode ser considerado como uma cadeia cinemática formada por objetos r´ıgidos, “os elos” unidos entre si, através de articulações. Então poderá ser estabelecido um sistema de referência fixo na base do robô e descrever a posição dos elos e juntas em relação a este dado sistema de referência. Desta maneira, a cinemática direta se resume a encontrar uma matriz homogênea de transformação “T” que relacione a extremidade do robô em relação a referência fixa situada na base do mesmo. Esta matriz “T” será função das coordenadas de junta (BARRIENTOS et al., 1997).

Para um braço robótico com seis graus de liberdade, a matriz “T” será formada pela multiplicação das matrizes de transformação de cada eixo referencial, como mostra a Equação 2.4.

T =0A₆=0A₁ 1A₂ 2A₃ 3A₄ 4A₅ 5A₆ (2.4) A matriz de transformação homogênea 0A₁ representa a localização de um ponto do referencial 1 em relação ao referencial 0 (referencial da base), de maneira análoga uma matriz

0_A

3representaria as coordenadas de um ponto do referencial 3 nas coordenadas do referencial 0

(referencial da base), logo, com a matriz T =0A₆se tem a posição e orientação da extremidade representadas nas coordenadas da base (BARRIENTOS et al., 1997).

2.5.3 Cinem´atica inversa

O objetivo da modelagem cinemática inversa consiste em encontrar os valores que devem adotar as coordenadas de junta do robô para que a sua extremidade se posicione e oriente segundo uma determinada localização espacial.

Assim como é poss´ıvel adotar o problema da cinemática direta de uma maneira sistemática a partir da utilização de matrizes de transformação homogênea e independente da configuração do robô, o mesmo não ocorre com a modelagem cinemática inversa, sendo o procedimento de obtenção das equações fortemente dependente da configuração do robô.

A modelagem cinemática inversa pode ser resolvida basicamente através de três métodos: analiticamente, fazendo-se manipulações matemáticas nas equações obtidas para o modelo

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cinemático direto; geometricamente, realizando cálculos sobre as relações trigonométricas no modelo f´ısico do robô; ou numericamente, aplicando-se um método iterativo para aproximar os valores dos ângulos a serem encontrados (BARRIENTOS et al., 1997).

2.5.4 Geração de trajetória

Definir configurações espec´ıficas dos ângulos de um manipulador robótico, por si só, não é suficiente para realizar a sua movimentação, pois, somente com os valores destes ângulos, o sistema de acionamento do robô, não terá como definir o seu comportamento para as posições intermediárias, para tal, além da definição dos dois pontos (origem e destino) será necessário especificar um conjunto de pontos entre estes limites, que o robô deve adotar para conseguir alcançar o seu objetivo (CRAIG, 1989).

A geração de uma trajetória, preferencialmente suave, é de grande importância para a precisão do movimento dos braços robóticos e existem algumas técnicas para esta realização (CRAIG, 1989):

• Trajetória Retil´ınea: consiste em calcular os pontos que pertencem a uma reta que passa pelos pontos de origem e destino. Esta técnica é bastante rudimentar e só permite que o braço robótico ou o robô móvel, se movimente em linha reta;

• Trajetória Polinomial: consiste na utilização de um polinômio interpolador. Dados dois pontos no espaço, um de origem e outro de destino, poderá ser calculado os valores intermediários, através da utilização de uma função matemática que suaviza a trajetória de acordo com um polinômio escolhido.

Utilizando-se um polinômio interpolador de segundo grau, então será obtido uma parábola que liga os dois pontos (origem e destino), caso seja escolhido um polinômio interpolador de terceiro grau, então a trajetória entre estes dois pontos será no formato de uma função cúbica com dois pontos de inflexão, o que evita os movimentos bruscos de uma trajetória retil´ınea (CRAIG, 1989).

A Equação 2.5 mostra um exemplo generalizado de polinômio interpolador cúbico que pode ser utilizado para calcular as posições instantâneas da trajetória de um manipulador robótico, onde através do cálculo da primeira derivada deste polinômio obtém-se a velocidade instantânea (CRAIG, 1989).

Calculando a segunda derivada deste mesmo polinômio interpolador poderá ser obtida a aceleração instantânea para o braço robótico.

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f(t) = a0+ a1t+ a2t2+ a3t3 (2.5)

2.6 Servo Motores

Um servo motor é um pequeno dispositivo com um eixo que pode ser posicionado em um ângulo desejado pelo envio de sinais codificados. Enquanto existir um sinal aplicado na entrada, o servo irá manter a posição angular do eixo. Quando o sinal mudar, a posição angular do eixo também muda. Na prática, os servos são utilizados em aviões radio-controlados para controlar os lemes de profundidade e de direção. São também utilizados em carros radio-controlados, brinquedos e robôs.

Um servo motor, Figura 9, possui um circuito eletrônico de controle e um potenciômetro (uma resistência variável rotativa) que está ligada ao eixo de sa´ıda. Este potenciômetro possibilita ao circuito de controle monitorar o ângulo atual do servo motor. Se o eixo estiver no ângulo correto, o motor pára. Se o circuito detecta que o ângulo está incorreto, ativa o motor no sentido correto até que o ângulo esteja correto. O eixo de sa´ıda do servo motor é capaz de rodar aproximadamente 180o. Um servo normal é utilizado para controlar movimentos angulares entre 0o e 180o, não sendo capaz de girar mais, devido a uma limitação mecânica existente na roda dentada acoplada ao seu eixo.

Figura 9: Servo motor desmontado (NAVARRO, 2010)

A tensão aplicada ao motor é proporcional à distância (ângulo) que tem de percorrer. Assim, se o eixo tem que girar um grande ângulo, o motor gira à máxima velocidade. Se tiver que girar um pequeno ângulo, o motor vai girar a baixa velocidade. Isto é chamado controle proporcional.

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na Figura 10. A isto chama-se PCM (Pulse Coded Modulation ou Modulação por Pulso Codificado). O servo espera receber um pulso em 20 milisegundos (.02 segundos). A largura do pulso vai determinar o ângulo de rotação do motor. Um pulso de 1.5 milisegundos, por exemplo, vai fazer o motor girar para a posição 90o(também designada posição neutral). Se o pulso for mais curto que 1.5 ms, então o motor vai girar o eixo para cerca de 0o.). Se o pulso for mais longo que 1.5 ms, então o motor vai girar o eixo para cerca de 180 graus.

Figura 10: Exemplo de posic¸˜oes adotadas por um servo motor (NAVARRO, 2010)

2.7 Comunicac¸˜ao Serial - RS232

Para realizar a transferência de dados entre equipamentos eletrônicos computadorizados, torna-se necessária a utilização de algum meio de comunicação. Esta comunicação pode ser efetuada por meio de ondas eletromagnéticas, como é o caso de comunicação sem fios, ou através da utilização de um meio f´ısico, como por exemplo um cabo metálico de cobre.

Uma das maneiras de realizar a comunicação entre os equipamentos computadorizados é através da comunicação serial cabeada, que será melhor explanada nos tópicos a seguir.

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2.7.1 Conceito de comunicac¸˜ao de dados

Em um computador, a distância que um sinal elétrico pode percorrer varia de alguns mil´ımetros, como no caso da comunicação entre dois circuitos integrados na placa mãe, até cent´ımetros, como na comunicação entre os dispositivos periféricos, por exemplo um sinal elétrico migrando da memória principal para o disco r´ıgido e vice-versa (BARCELOS, 2010).

Algumas vezes a comunicação deve ser realizada com outros componentes que estão fora dos circuitos que constituem o computador. Nesses casos as distâncias envolvidas podem ser enormes, e então surgem vários problemas que dificultam a transmissão de dados de maneira precisa. Embora alguns cuidados devam ser tomados na troca de dados dentro de um computador, o grande problema ocorre quando dados são transferidos para dispositivos fora dos circuitos do computador. Nesse caso a distorção e o ru´ıdo podem tornar-se tão severos que a informação é perdida (BARCELOS, 2010).

A Comunicação de Dados estuda os meios de transmissão de mensagens digitais para dispositivos externos ao circuito originador da mensagem. Dispositivos Externos são geralmente circuitos com fonte de alimentação independente dos circuitos relativos a um computador ou outra fonte de mensagens digitais. Como regra, a taxa de transmissão máxima permiss´ıvel de uma mensagem é diretamente proporcional a potência do sinal, e inversamente proporcional ao ru´ıdo. A função de qualquer sistema de comunicação é fornecer a maior taxa de transmissão poss´ıvel, com a menor potência e com o menor ru´ıdo poss´ıvel (BARCELOS, 2010).

2.7.2 Canal de comunicac¸˜ao

Um canal de comunicação é definido como sendo o meio pelo qual a informação trafega. A comunicação pode ser realizada por um canal f´ısico (fio) ou por algum meio de propagação através de energia radiante, como por exemplo ondas de rádio ou um feixe de laser.

Normalmente o canal de comunicação é classificado de acordo com a direção em que a informação trafega. Na comunicação por canal simplex, a informação tem um único sentido de tráfego, por outro lado, caso a comunicação aconteça em duplo sentido no canal, este canal será classificado como, canal half-duplex, porém, neste caso, a comunicação nos dois sentidos não pode acontecer simultaneamente. Já no caso dos canais full-duplex, os dados podem trafegar nos dois sentidos simultaneamente.

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que podem ser encapsulados em mensagens de vários bits. Um byte (conjunto de 8 bits) é um exemplo de uma unidade de mensagem que pode trafegar através de um canal digital de comunicações. Uma coleção de bytes pode ser agrupada em um frame ou outra unidade de mensagem de maior n´ıvel. Esses múltiplos n´ıveis de encapsulamento facilitam o reconhecimento de mensagens e interconexões de dados complexos (BARCELOS, 2010).

2.7.3 Processo de transmiss˜ao serial

A maioria das comunicações em sistemas digitais é formada por um grande número de bits, o que torna inviável transmit´ı-los simultaneamente, portanto, uma mensagem quando deve ser enviada por um canal de comunicação, ela é quebrada em pequenas partes e enviadas seqüencialmente (BARCELOS, 2010).

Na comunicação bit-serial, as mensagens são codificadas em bits e eles são enviados um a um, pelo canal. Este tipo de transmissão é mais conhecida com o nome de transmissão serial e, é utilizada pela maior parte dos sistemas digitais e periféricos de computadores (BARCELOS, 2010).

No outro lado da comunicação, ou seja, no equipamento receptor, os bits são rearranjados para compor a mensagem original.

A transmissão serial pode ser realizada utilizando-se duas técnicas: Transmissão S´ıncrona e Transmissão Ass´ıncrona (BARCELOS, 2010).

• Transmissão S´ıncrona: nesta técnica é utilizado um canal exclusivo de clock, para transmitir informações de temporização, fazendo com que o receptor consiga identificar quando exatamente começa um pacote de dados e quando o mesmo termina. Um segundo canal é utilizado para o tráfego dos dados, respeitando os sinais de temporização que ocorrem em paralelo no canal citado anteriormente;

• Transmissão Ass´ıncrona: é realizada através de um único canal. O transmissor e o receptor devem ser previamente configurados, dando assim a possibilidade da troca de mensagens sem grandes perdas de dados. Para este tipo de transmissão (normalmente é utilizado o protocolo RS232), os dados são divididos em pacotes de 10 ou 11 bits, dos quais somente oito constituem a mensagem. Os bits restantes servem para o controle de inicio e fim de pacote, assim como informações relativas à integridade do pacote (paridade). Quando o canal está em repouso, o sinal correspondente no canal tem um n´ıvel lógico ‘1’. Um pacote de dados sempre começa com um n´ıvel lógico ‘0’ (“start

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bit”) para sinalizar ao receptor que uma transmissão foi iniciada. O “start bit” inicializa um temporizador interno no receptor avisando que a transmissão começou e que serão necessários pulsos de clock. Seguido do “start bit”, 8 bits de dados de mensagem são enviados na taxa de transmissão especificada. O pacote é conclu´ıdo com os bits de paridade e de parada “stop bit”.

A Figura 11 mostra o formato t´ıpico para o pacote na transmiss˜ao ass´ıncrona.

Figura 11: Formato t´ıpico de um pacote serial ass´ıncrono (BARCELOS, 2010)

2.7.4 Taxa de transferˆencia (Baud Rate)

O termo taxa de transferência refere-se à velocidade com que a comunicação acontece, ou seja, a relação entre o tempo gasto e a distância que uma mensagem leva para ser transmitida, e é medida em transições elétricas por segundo (BARCELOS, 2010).

No padrão de comunicação EIA232, a cada transição elétrica, um único bit é enviado, logo, a taxa de transferência e a taxa de bits são idênticas, portanto nesse caso, uma taxa de 9600 bauds corresponde a uma transferência de 9600 dados por segundo, ou um per´ıodo de aproximadamente, 104 µs (1/9600 s) (BARCELOS, 2010).

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2.7.5 Checksum e paridade

Distúrbios e ru´ıdos gerados ao longo do canal de comunicação podem interferir na qualidade dos dados transmitidos, fazendo com que o receptor receba mensagens incorretas ou com perda de dados. Para amenizar este tipo de situação, geralmente é implementada uma técnica de detecção e/ou correção de erros (BARCELOS, 2010).

Para cada pacote enviado é adicionado ao seu final, um bit de paridade, que garante na maioria dos casos a integridade dos dados recebidos, realizando-se apenas uma simples verificação.

Na convenção de paridade-par (“even-parity”), o valor do bit de paridade é escolhido de tal forma que o número total de d´ıgitos ‘1’ dos dados adicionado ao bit de paridade do pacote seja sempre um número par. Na recepção do pacote, a paridade do dado precisa ser computada novamente pelo hardware local e comparada com o bit de paridade recebido com os dados. Se qualquer bit mudar de estado, a paridade não irá coincidir, e um erro será detectado. Se um número par de bits for trocado, a paridade coincidirá e o dado com erro será validado. Contudo, uma análise estat´ıstica dos erros de comunicação de dados tem mostrado que um erro com bit simples é muito mais provável que erros em múltiplos bits na presença de ru´ıdo randômico. Portanto, a paridade é um método confiável de detecção de erro (BARCELOS, 2010).

Outro método de detecção de erro envolve o cálculo de um “checksum” quando mensagens com mais de um byte são transmitidas pelo canal de comunicação. Nesse caso, os pacotes que constituem uma mensagem são adicionados aritmeticamente. Um número de checksumé adicionado à seqüência do pacote de dados de tal forma que a soma dos dados mais o checksum seja zero (BARCELOS, 2010).

2.7.6 Interface serial RS232

A comunicação serial utilizando a interface serial RS232, possui uma série de especificações para compatibilizar e padronizar como será realizada a transmissão dos dados (BARCELOS, 2010).

A sigla RS significa “Recomended Standard”, e teve origem em 1969, criada por um comitê, conhecido nos dias de hoje com o nome de EIA (Electronic Industries Association). Atualmente os sinais implementados e sua forma de utilização são muito pouco semelhantes à especificação original (BARCELOS, 2010).

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O padrão RS232, desde que foi concebido, sofreu três grandes modificações, sendo que a mais recente, em 1991, modificou o nome do padrão para EIA232, renomeou alguns dos seus sinais e várias linhas novas foram definidas (BARCELOS, 2010).

A transmissão serial utilizando a interface RS232 se dá através da sinalização por tensão, onde o n´ıvel lógico alto é representado através de um valor de tensão que esteja dentro da faixa de -3V até -25V e o n´ıvel lógico baixo por sua vez é representado por um n´ıvel de tensão entre +3V até +25V.

Os equipamentos que trabalham com n´ıvel lógico TTL (Transistor-Transistor Logic), devem possuir um conversor de n´ıveis, como por exemplo, o circuito integrado MAX232, que normaliza os n´ıveis de tensão para 0v até +5V.

Uma descrição breve dos sinais para a interface serial utilizando um conector do tipo DB9 poderá ser vista na Tabela 1 e sua respectiva ilustração na Figura 12.

Figura 12: Conector DB9 (BARCELOS, 2010)

Tabela 1: Comunicac¸˜ao Serial - RS232C - Pinagem DB9

Pino Sinal Sentido Descric¸˜ao

1 CD (Carrier Detect) Entrada receptor avisa quando recebe sinal 2 RD (Receive Data) Entrada Recebe dados enviados pelo receptor 3 TD (Transmit Data) Sa´ıda Transmite dados para o receptor 4 DTR (Data Terminal Ready) Sa´ıda transmissor avisa que est´a pronto

5 Signal Ground sinal de referˆencia

6 DSR (Data Set Ready) Entrada receptor avisa que conseguiu comunicar 7 RTS (Request to Send) Sa´ıda transmissor pede permiss˜ao para enviar dados 8 CTS (Clear to Send) Entrada receptor permite que transmissor envie dados 9 RI (Ring Indicator) Entrada receptor avisa que telefone est´a tocando

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3 METODOLOGIA

Após a apresentação do cap´ıtulo 2 com a base teórica necessária para a construção deste projeto, será visto a seguir, como estes componentes serão associados para compor a solução proposta a ser desenvolvida.

Inicialmente será apresentada uma sessão relativa a uma lista de atividades para o projeto, e em seguida serão detalhados somente os principais itens desta lista.

3.1 Lista de Atividades

Para a melhor organização do desenvolvimento do projeto, foi realizado um planejamento das atividades, dividindo-as em etapas e agrupando-as de acordo com a área de estudo espec´ıfica, possibilitando assim, o acompanhamento e controle da evolução do projeto ao longo do tempo.

As atividades foram divididas em:

• Levantamento Bibliográfico: pesquisa em busca de livros e documentos que tratem dos assuntos, manipuladores robóticos, robôs móveis, comunicação serial RS232, programação serial utilizando a linguagem de programação JAVA, entre outros assuntos que servem de aux´ılio teórico para o desenvolvimento do projeto como um todo;

• Modelagem Matemática: desenvolvimento de modelos matemáticos relativos à cinemática direta e inversa, tanto do manipulador robótico quanto do robô móvel, assim como os cálculos necessários para a geração de trajetória dos mesmos;

• Comunicação Serial: estudo e implementação da comunicação serial entre o robô e o computador, através da utilização da API (Application Programming Interface) de comunicação Javacomm;

• Testes pré-liminares da comunicação: realização de testes de movimentação do robô através da comunicação serial;

• Validação da Modelagem Matemática: verificação dos resultados obtidos pela modelagem matemática, através da medição de pontos e ângulos no robô;

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• Testes de Integração: teste da interação dos módulos implementados, para garantir o correto funcionamento do robô. Os testes são realizados, pondo em funcionamento a interface do usuário, a modelagem matemática e a comunicação serial, para verificar, de maneira geral, o comportamento dos módulos implementados para o projeto.

3.2 Desenvolvimento e validação da modelagem matemática

A modelagem matemática consiste, basicamente, em realizar os cálculos relativos à modelagem cinemática direta, inversa e a geração da trajetória. Em seguida simular e comparar os valores obtidos através de medidas realizadas diretamente no robô sobre valores de posições conhecidas, com os valores retornados pelos cálculos das modelagens.

A cinemática direta do robô manipulador, ao receber como entrada, valores dos ângulos de junta de um manipulador, irá retornar, como valor calculado, a posição em coordenadas cartesianas (x, y, z) para uma determinada configuração destes ângulos de junta.

Por outro lado, a cinemática inversa, calcula os ângulos de junta, expressos no espaço de juntas, a partir de um ponto (x, y, z), fornecido no sistema de coordenadas cartesianas.

A modelagem matemática para este projeto deve contemplar as seguintes atividades: • Realização de medições no corpo do robô (manipulador), para a retirada dos parâmetros

de Denavit Hartenberg;

• Desenvolvimento das matrizes de transformação para a cinemática direta; • Testes de transformação com ângulos conhecidos;

• Desenvolvimento das equações para o cálculo dos ângulos na cinemática inversa; • Testes de transformação com pontos conhecidos;

• Desenvolvimento das equações para a geração de trajetórias, utilizar trajetória linear, polinômio quadrático e polinômio cúbico;

• Implementação do algoritmo de geração de trajetória para conferir se os pontos gerados formam a trajetória de acordo com o tipo de interpolação escolhida;

• Realização de medições no robô móvel para os cálculos utilizados na implementação da cinemática do Kit Tri-Track Robot;

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3.3 Comunicac¸˜ao serial

O controle do robô é feito utilizando-se o padrão RS232 de comunicação serial e através do envio de comandos no formato pré-estabelecido para o micro-controlador da ATMEL, que abriga um algoritmo desenvolvido pelo próprio fabricante do robô, o total controle do posicionamento poderá ser atingido.

As atividades relativas à comunicação entre o software de controle e o robô devem conter as seguintes tarefas:

• Instalação da API de comunicação Javacomm, preferencialmente na plataforma de desenvolvimento Netbeans 6.9 ou superior;

• Implementação da configuração da comunicação serial;

• Implementação das rotinas para adequação ao protocolo da placa SSC32 (circuito integrado da ATMEL);

• Testes de movimentac¸˜ao das juntas individuais;

• Testes dos limites dos ângulos alcançáveis pelas juntas do robô manipulador; • Testes de movimentação das esteiras do Kit Tri-Track Robot.

3.4 Testes de integrac¸˜ao

Após o desenvolvimento de todos os módulos que constituirão o projeto global, foram realizados os testes de integração, para garantir que a comunicação serial está funcionando corretamente com a interface do usuário, a modelagem matemática está funcionando corretamente com a comunicação serial, e assim compilar os resultados alcançados e avaliar a necessidade de modificações no projeto, além de traçar metas futuras.

Para os testes de integrac¸˜ao foram desenvolvidas as seguintes atividades:

• Implementação das classes que realizarão a ligação entre os módulos de comunicação, modelagem matemática e interface do usuário;

• Realização de testes de funcionamento, apenas do manipulador, objetivando a retirada de um objeto de uma posição origem para uma posição destino, dentro do alcance do AL5C;

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• Realização de testes de funcionamento, apenas do robô móvel Kit Tri-Track Robot, objetivando a locomoção do robô de um ponto de origem para um ponto de destino dentro de um terreno plano e com limites bem definidos;

• Testes de funcionamento completo, verificando se o robô (AL5C + Kit Tri-Track Robot) realiza a manipulação de um objeto movimentando tanto o manipulador, quanto o robô móvel;

• Análise dos resultados obtidos e tabulação de resultados para comprovar o correto funcionamento do projeto e alcance dos principais objetivos.

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4 DESCRIC¸ ˜AO DA PROPOSTA

Este projeto visa desenvolver um sistema robótico capaz de manipular objetos dentro de um ambiente livre, onde a união do manipulador AL5C e o Kit Tri-Track Robot permitirão deslocar objetos que estejam fora da área alcançada pelo manipulador.

O robô, ao receber um sinal do computador, com informações referentes à tarefa que ele deve executar, em um primeiro momento irá verificar se o objeto a ser manipulado se encontra dentro da área alcançável pelo manipulador, assim como testará, se o local de destino do objeto está dentro desses limites do manipulador, se as verificações de posições forem afirmativas, então o robô movimentará o braço robótico. Caso contrário, o robô deverá se aproximar até que este objeto esteja dentro dos limites do AL5C e, em seguida, obter o objeto e transportá-lo para o seu objetivo, se aproximando o bastante para que seja alcançada uma posição onde o manipulador consiga entregá-lo corretamente. A Figura 13 mostra um ambiente contendo os componentes representativos da proposta do projeto.

Figura 13: Proposta do projeto.

4.1 O Robˆo AL5C + Kit Tri-Track Robot

A empresa Linxmotion Inc, fundada em 1995, disponibiliza kits educacionais para trabalhos na área de robótica. Vários tipos de robôs são disponibilizados através do seu site. O robô AL5C é um manipulador robótico com cinco graus de liberdade acionado através de servos-motores e comandado por um micro-controlador da ATMEL modelo

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ATMEGA168-20PU, capaz de movimentar até 32 servos-motores, o qual está embarcado numa placa de circuito impresso desenvolvido pela própria Linxmotion sob o nome de Placa Controladora SSC-32.

Figura 14: Brac¸o Rob´otico AL5C (LINXMOTION, 2010)

Outro robô disponibilizado também pela Linxmotion é o Kit Tri-Track Robot que é um modelo de robô móvel com locomoção por meio de duas esteiras, composto por dois motores de 12 volts, interligados em uma placa de potência (Driver) desenvolvida pelo próprio fabricante chamada, Sabertooth 2X10 R/C Regenerative Dual Channel Motor Controller.

Este tipo de robô móvel composto por esteiras é uma ótima opção para o desenvolvimento de robôs exploradores, visto que, as esteiras lhe permite superar obstáculos com maior facilidade. Possui sistema de tração diferencial triangular e suporta uma carga máxima de 2,26Kg e seu chassi permite a montagem acoplada de outros kits de robótica da Linxmotion.

Figura 15: Kit Tri-Track Robot (LINXMOTION, 2010)

Com a finalidade de reunir em um único robô as qualidades de um manipulador robótico e a mobilidade de um robô móvel com locomoção por esteiras, torna-se útil a montagem em conjunto do AL5C e o Kit Tri-Track Robot, formando um robô capaz de, ao mesmo tempo em que manipula objetos, transportá-los de uma região para outra por meio do movimento da sua base, fazendo o papel de robô móvel.

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4.2 Programação do robô AL5C + Kit Tri-Track Robot

Como dito anteriormente, o kit educacional da Linxmotion vem equipado com uma placa controladora para os seus servos-motores, a SSC-32, que possui um micro-controlador, com software embarcado capaz de interpretar comandos relativos aos movimentos que os servos-motores devem realizar.

A placa SSC-32 recebe comandos através de uma interface serial usando o protocolo de comunicação RS232 e possui um conjunto de instruções pré-definida. As instruções básicas e necessárias para fundamentar o desenvolvimento de programas para o AL5C + Kit Tri-Track Robotserão detalhadas na Tabela 2.

Tabela 2: Conjunto de Instruc¸˜oes para SSC-32

Comandos para movimentar os servos-motores

] < ch > P < pw > S < spd > ...] < ch > P < pw > S < spd > T < time >< cr > < ch > N´umero do canal em decimal, 0-31

< pw > Largura do pulso em micro-segundos, 500-2500

< spd > Velocidade do movimento em µs/segundos para um canal, (opcional) < time > Tempo em mili-segundos para completar o movimento, afeta todos os canais

< cr > Carriage Return, ASCII 13, (requerido para iniciar uma ação) < esc > Cancela a ação corrente, ASCII 27

Comandos para controlar sa´ıdas discretas ] < ch >< lvl > ...] < ch >< lvl >< cr > < ch > N´umero do canal em decimal, 0-31

< lvl > N´ıvel l´ogico do canal, ‘H’ para alto e ‘L’ para baixo Comandos para leitura de entradas discretas

A B C D AL BL CL DL < cr > A B C D Letra referente `a entrada que se deseja ler o valor,

ASCII “0”=(0v), ASCII “1”=(+5v)

AL BL CL DL Entradas com latch, permanece em “0” ou em “1” at´e receber o comando *L

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Exemplo para a movimentação de um dos servos-motores do manipulador poderia ser escrito da seguinte forma: ]5P1600S750 < cr >, que faria com que o servo-motor que está ligado no canal 5, se desloque para a posição 1600, movendo-se a uma taxa de 750µs por segundo até alcançar o seu destino.

O formato para os comandos enviados para a placa SSC-32 devem ser o seguinte formato: ] Servo-motor P Pulsos S Velocidade

• ]: indica o inicio da cadeia de caracteres para um comando; • Servo-motor: indica o número do servo-motor a ser controlado; • P: indica que o controle será feito através de pulsos;

• Pulsos: posição que deverá adotar o servo-motor. • S: indica que será definido o valor de velocidade. • Velocidade: valor de velocidade em microsegundos.

Para melhor entender o funcionamento do parâmetro de velocidade, considere que 1000µs são necessários para um trajeto de 90o de rotação, então com uma taxa de 100µs por segundo o motor precisará de 10 segundos para completar o seu trajeto de 90o, analogamente, uma taxa de 2000µs por segundo levará 0,5 segundos para completar os mesmos 90o.

4.3 Conex˜oes do robˆo AL5C + Kit Tri-Track Robot

Os servos-motores e os atuadores do robô apresentado são controlados e alimentados por meio da placa SSC-32. Na Figura 16, pode ser visto a disposição dos componentes e conectores da placa controladora e em seguida um detalhamento das suas respectivas funcionalidades e formas de conexão.

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Figura 16: Placa controladora SSC-32 (LINXMOTION, 2010)

1. Regulador de tens˜ao para 5vdc;

2. Terminais para conexão de alimentação, do acionamento dos servos-motores de 16 à 31; 3. Configuração para interligar VS1 e VS2, permite utilizar uma única fonte de alimentação

para o acionamento de todos os servos-motores;

4. Terminais para conexão de alimentação, do circuito eletrônico do micro-controlador; 5. Configuração do n´ıvel lógico de tensão em relação ao n´ıvel da alimentação principal,

permite utilizar o sinal de VS em VL;

6. Terminais para conexão de alimentação, do acionamento dos servos-motores de 0 à 15; 7. Conexões para os servos-motores de 0 a 15 na parte inferior e 16 a 31 na parte superior; 8. Circuito integrado da Atmel ATMEGA168-20PU;

9. Configuração da comunicação serial; 10. Conexões para as entradas discretas;

11. Sinalização do funcionamento normal da placa controladora; 12. Conector DB9 para comunicação serial;

13. Conex˜ao para mem´oria EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory);

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Algumas configurações podem variar de acordo com o modelo da placa controladora e o robô ao qual se deseja controlar.

Equipamentos com potência maior que a suportada pela placa SSC-32 devem ser alimentadas de forma independente e o seu controle realizado através de uma interface que permita a isolação dos sinais de controle.

4.4 Comunicac¸˜ao serial em JAVA

Existem muitos dispositivos periféricos, externos ao computador, que utilizam a comunicação serial como padrão para conectar-se a outros equipamentos. Exemplos destes dispositivos são as impressoras, câmeras de v´ıdeo, scanners, plotters, robôs, telefones, entre outros, que se utilizam do padrão de comunicação serial para enviar e receber dados de outros dispositivos (SUN; ORACLE, 2010).

Para que estes equipamentos possam trocar informações corretamente é necessário que ambos suportem o protocolo envolvido na comunicação, neste caso, o padrão serial RS232.

O desenvolvimento de um programa que atenda as regras do padrão de comunicação desejado pode ser implementado utilizando-se uma linguagem de programação qualquer como JAVA, C, C++, etc.

Para facilitar o controle da comunicação serial utilizando uma linguagem de mais alto n´ıvel, a SUN Microsystems, desenvolveu uma API (Application Programming Interface) espec´ıfica para a comunicação serial utilizando a linguagem de programação JAVA (SUN; ORACLE, 2010).

A API Javacomm possibilita ao usuário implementar a comunicação entre dispositivos seriais, abstraindo os detalhes de mais baixo n´ıvel apresentados no padrão RS232, o diagrama básico que define a maneira como funciona a API Javacomm pode ser visto na Figura 17.

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A programação em JAVA utilizando a API Javacomm é baseada basicamente na classe abstrata CommPort e nas suas duas sub-classes SerialPort e ParallelPort que descrevem os dois principais tipos de portas encontrados nos computadores de uso geral (SUN, 2010).

A classe ComPort possui dois métodos muito importantes para o controle da comunicação serial, são eles, o GetInpuStream e GetOutputStream, que de fato manipulam os dados no canal de comunicação (SUN, 2010).

Informac¸˜oes mais detalhadas sobre o funcionamento da API Javacomm podem ser obtidos diretamente do site da SUN Microsystems.

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5 DESENVOLVIMENTO

Este cap´ıtulo trata das etapas realizadas durante o desenvolvimento do sistema robótico manipulador de objetos. No primeiro momento serão apresentadas todas as fases relativas à montagem e conexão da parte f´ısica do sistema, ou seja, um tópico dedicado a parte de hardware do projeto, em seguida, outro tópico para a parte de software, apresentando os módulos implementados para o funcionamento do sistema robótico.

5.1 Montagem dos componentes de Hardware

Desenvolvimentos de projetos e produtos na área de robótica envolvem atividades como montagem mecânica e eletro-eletrônica, tornando as pesquisas nesta área uma tarefa multidisciplinar.

De posse do robô AL5C e do Kit Tri-Track, onde a parte mecânica já tinha sido previamente montada pelo orientador, então foram feitos alguns estudos para entender como realizar a correta conexão dos fios que interligam os servos-motores e suas respectivas placas de controle.

A Figura 18, apresenta o diagrama de ligação para o robô AL5C, destacando os valores de tensão adequados para o seu correto funcionamento.

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Figura 18: Esquema de Ligac¸˜ao do AL5C - adaptado de (LINXMOTION, 2010)

Observando a Figura 18, percebe-se a utilização de duas fontes de alimentação, sendo a primeira de 6 volts para suprir de energia os servos-motores do braço mecânico, e uma segunda fonte para alimentar o circuito de controle (placa SSC-32), sendo esta uma recomendação do fabricante a qual, garante que as variações do consumo de energia dos servos-motores não venham a influenciar na qualidade do sinal utilizado para a alimentação do circuito de controle que realiza comunicação serial e possui maior sensibilidade a essas variações .

A placa controladora SSC-32 permite o controle de até 32 servos-motores simultaneamente, possui um micro-controlador da ATMEGA168-20PU e possibilita a configuração da velocidade de comunicação serial através dos jumpers denominado ”BAUD”, que no caso deste projeto será utilizado na configuração de 115,5kbps.

Além da conexão do AL5C, realizou-se também as ligações dos fios para alimentação e controle do Kit Tri-Track Robot, que possui uma placa de potência denominada Sabertooth, a qual possibilita o controle adequado dos dois motores das esteiras de locomoção.

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Figura 19: Esquema de Ligac¸˜ao do Kit Tri-Track Robot - adaptado de (LINXMOTION, 2010)

A placa Sabertooth apresentada na Figura 19 controla os motores das esteiras através de comandos recebidos da placa controladora SSC-32, que além de controlar o manipulador AL5C, controla também os movimentos do robô explorador através dos terminais de conexão disponibilizados para este fim.

São três os sinais de controle que a placa Sabertooth recebe da placa SSC-32: Para frente e para trás, Girar para esquerda e para e direita, Inverter sentido de controle.

A placa Sabertooth possui um conjunto de chaves de configuração, que permite ao usuário escolher o modo de controle dos servo-motores do robô explorador. A Figura 20 apresenta os detalhes destas chaves de configuração.

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Figura 20: Chaves de configurac¸˜ao da placa Sabertooth (LINXMOTION, 2010)

A placa apresenta os seguintes modos de operac¸˜ao:

• Mixing mode: Habilita e desabilita o modo de controle misto dos motores. Quando está configurado na posição desligada pode-se controlar os motores de forma independente; • Exponentiall: Habilita e desabilita o modo de controle exponencial. Valores próximo ao

centro (1500), s˜ao menos sens´ıveis;

• Lithium mode: Habilitar quando estiver utilizando bateria de L´ıtio para alimentac¸˜ao dos servos-motores;

• Flip control: Configura o modo de inversão do robô. Quando a chave está na posição ligada a inversão é feita no modo R/C;

• Auto-calibrate: Configura o modo de calibração automática do reconhecimento de comandos de controle dos servos-motores;

• Timeout: Com a chave habilitada o robô verifica se não há mais comandos a serem executados e após 1 segundo desabilita o funcionamento dos servos-motores.

No caso do Kit Tri-Track Robot utilizado neste projeto, as chaves de configurac¸˜ao da placa Sabertooth foram posicionadas da seguinte maneira: Mixing mode habilitado, Exponential desabilitado, Lithium mode desabilitado, Flip control modo digital habilitado, Auto-calibrate desabilitado e Timeout desabilitado.

Após a conclusão da conexão dos cabos para os dois robôs, então realizou-se a integração destes dois circuitos em um único sistema, dando origem ao robô móvel manipulador, formado pelo manipulador AL5C com seus 6 servos-motores e o robô explorador Kit Tri-Track Robot composto principalmente por duas esteiras para o sistema de locomoção. A Figura 21 ilustra

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um panorama do sistema completo, incluindo as ligações do AL5C, do robô explorador, do computador de controle e suas respectivas fontes de alimentação.

Figura 21: Panorama do sistema rob´otico completo - adaptado de (LINXMOTION, 2010)

5.2 Componentes de Software

Utilizando o Kit de desenvolvimento NetBeans 6.9 do fabricante Oracle e Sun Microsystems e a linguagem de programação Java, foram implementados componentes de software para o controle do sistema robótico manipulador de objetos. Nesta sessão serão apresentados os módulos implementados com a explicação das suas funcionalidades. Os módulos que compõem o projeto podem ser dispostos da seguinte forma, Figura 22: Módulo de interface com o usuário, Módulo de comunicação serial, Módulo da modelagem cinemática, Módulo de acionamento e Módulo de geração de trajetória. Estes módulos serão explicados individualmente e no final desta sessão será apresentada uma explicação geral dos algoritmos e como eles interagem entre si, para que o leitor tenha uma visão geral do funcionamento do projeto como um todo.

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Figura 22: Diagrama dos M´odulos de software para o sistema rob´otico

5.2.1 M´odulo de interface com o usu´ario

Foram implementadas as telas do software necessárias para tornar a interação do usuário com o controle do sistema robótico uma tarefa amigável. O software possibilita ao usuário, modificar as configurações da comunicação serial, realizar testes manuais com os dois robôs separadamente, alterar os valores limites para o robô, controlar a velocidade dos movimentos, realizar a gravação de movimentos do manipulador, poderá também realizar movimentos pré-programados do manipulador e do explorador, assim como lhe é dada a opção também de programar uma tarefa utilizando o manipulador e o explorador através da aba “Manipulador + Explorador”. Todas estas funcionalidades serão melhor explanadas ao longo deste documento e mais profundamente no tópico que trata da realização de testes de funcionamento do sistema.