DESENVOLVIMENTO DE ALGORÍTMO E SOFTWARE PARA CONTROLE DE MANIPULADOR ROBÓTICO DIDÁTICO COM CINCO GRAUS DE LIBERDADE

Pedro Brühmuller Junior, Nazareno Oliveira Pacheco, Marco Shawn Meireles Machado

DESENVOLVIMENTO DE ALGORÍTMO E SOFTWARE PARA CONTROLE DE MANIPULADOR ROBÓTICO DIDÁTICO COM CINCO GRAUS DE LIBERDADE

^[1] Resumo - Este artigo aborda um estudo para desenvolvimento de algoritmo para manipulador robótico didático com cinco graus de liberdade que conta com o acionamento por servos motores para promover a movimentação de cada junta. O dispositivo a ser controlado tem estrutura metálica com formato de um robô manipulador e a ideia é baseada em ter um manipulador didático com características similares a um industrial. Os conceitos de cinemática direta, através da convenção de Denavit Hartenberg, ângulos de euler e de cinemática inversa, através do método geométrico são utilizados para controle de posição e orientação do manipulador, nos quais podem ser feitas dentro do seu volume de trabalho. O microcontrolador, onde a lógica de programação para controle dos servos motores foi implementada, conta com aplicativos externos que enviaram dados de acordo com a escolha do usuário. No qual foi desenvolvido um supervisório que faz o controle de posicionamento e orientação do manipulador via serial. Ao final, foi conduzido um conjunto de testes de funcionamento e desempenho do projeto.

Palavras-chave: Manipulador Robótico. Comunicação de Dispositivos. Modelagem Cinemática.

Abstract - The work deals with a study on developing algorithm for teaching robotic manipulator with five degrees of freedom that has the drive by servo motors to promote the movement of each joint. The device to be controlled has metal frame with a manipulator format and the idea is based on having a didactic handler with similar characteristics to an industrial. The concepts of direct kinematics through Denavit Hartenberg convention, Euler angles and inverse kinematics, using the geometric method will be used to control the position and orientation of the manipulator, in which can be done within your workload. A microcontroller where the programming logic to control the servo motors has been implemented, will have external applications that sent data according to user choice. In which will be a supervisor will control the positioning and orientation via serial manipulator. At the end, it conducted a series of functional tests and project performance, concluding that the handler can have a satisfactory operation.

Keywords: Robotic Manipulator. Device communication. Kinematics modeling.   

I. INTRODUÇÃO

A robótica tem despertado interesse nas instituições de ensino, e tem sido vista como uma área promissora, no entanto um de seus problemas é o acesso a equipamentos didáticos, que tem custo elevado e são de difícil aquisição, e também não exploram toda a capacidade didática.

Nas escolas, a robótica é um importante aliado em desenvolver conhecimentos e motivar o interesse de alunos pela tecnologia. Segundo o artigo [13], discorre sobre a importância e a aplicabilidade da robótica para alunos, no qual é possível destacar a reação ao encontrar conceitos de robótica e matemáticos analisados em sala de aula.

A robótica tem sido eficaz na aprendizagem e é utilizada como uma nova ferramenta didática, sendo possível desenvolver experiências técnicas e cientificas, concretamente, isso pode incentivar estudantes universitários a implementar atividades de robótica e arquiteturas de robótica educacional, cuidando dos aspectos quantitativos típicos da engenharia.

Desenvolver um manipulador robótico didático com 5 graus de liberdade de baixo custo e fácil utilização e com características similares aos robôs industriais. Implementação das cinemáticas visando o controle dos servos motores de baixo custo, que podem ter pequenas variações de posicionamento, implicando na perda de posição do ponto desejado.

Os manipuladores robóticos industriais são de difícil acesso no meio acadêmico, onde o mesmo irá ser desenvolvido para a utilização em fins didáticos, sendo com baixo custo e fácil manutenção, o desenvolvimento de controle de um manipulador robótico didático pode ser dividido em algumas partes, desde o estudo do comportamento, passando pelas modelagens cinemáticas até o objetivo principal que é o controle, contudo o professor terá a facilidade de levar um manipulador com semelhantes características aos manipuladores industriais nas suas aulas, podendo mostrar os conceitos básicos, como posicionamento e orientação, modelagem cinemática e dinâmica, podendo gerar trajetórias, controle e programação.

A intenção é mostrar a funcionalidade de um manipulador didático em sala de aula com características semelhantes a um industrial, além de uma ferramenta útil para um melhor aprendizado e manter a motivação dos alunos e o desenvolvimento de outras pesquisas pela área de robótica.

II. MANIPULADOR ROBÓTICO

Um manipulador robótico tem como seu principal objetivo orientar e posicionar um objeto no espaço, executando uma tarefa determinada pelo operador. O ato de posicionar e orientar o manipulador define parâmetros de posicionamento e orientação, denominados graus de liberdade, em relação a sua base de referência [2].

Os Manipuladores robóticos são projetados com intuito de realizar diferentes tarefas e ser capaz de repeti-las. Para executá-las, o robô move partes, objetos, ferramentas e dispositivos especiais segundo movimentos e pontos pré-programados [10].[pic 1]

Dentre os manipuladores robóticos a classificação normalmente dada pelos números de graus de liberdade que o mesmo possui. O objeto de estudo deste artigo é um robô manipulador didático que possui 5 graus de liberdade, com intuito de ser utilizado como material didático em sala de aula, como pode ser visto na Figura 1. Os robôs didáticos são fabricados com uso restrito a ensino, não possuindo todas as características de um manipulador industrial, entretanto tem similaridade na maioria das funcionalidades.

Fonte: Autores, 2016.[pic 2][pic 3]

Cada articulação do manipulador é formada por uma junção das peças metálica em formato apropriado e ligado a um servo motor. O manipulador conta com 6 (seis) servos, sendo 5 (cinco) para acionamento das juntas, e 1 (um) para acionamento da garra.

O servo motor é do tipo mais comum e amplamente utilizado em projetos de pequena escala, onde é necessário um posicionamento, sua faixa de controle de precisão é aproximadamente 180 graus, não fornece controle de velocidade ou rotação continua [3].