UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP
MONIEL DE OLIVEIRA FERREIRA
SANDRINA SOUZA IPUCHIMA
WILTON PEREIRA SILVA
PROJETO DE UM BRAÇO ROBÓTICO PARA FINS DIDÁTICOS COM
QUATRO GRAUS DE LIBERDADE E UMA GARRA
MANAUS - AM
2012
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TCC Final Braço Robotico Rev. Final, Teses (TCC) de Mecatrônica
TCC - Braço Robótico
Tipologia: Teses (TCC)
2016
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Compartilhado em 16/04/2016
moniel-ferreira-5 🇧🇷
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UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP
MONIEL DE OLIVEIRA FERREIRA
SANDRINA SOUZA IPUCHIMA
WILTON PEREIRA SILVA
PROJETO DE UM BRAÇO ROBÓTICO PARA FINS DIDÁTICOS COM
QUATRO GRAUS DE LIBERDADE E UMA GARRA
MANAUS - AM
MONIEL DE OLIVEIRA FERREIRA
SANDRINA SOUZA IPUCHIMA
WILTON PEREIRA SILVA
PROJETO DE UM BRAÇO ROBÓTICO PARA FINS DIDÁTICOS COM
QUATRO GRAUS DE LIBERDADE E UMA GARRA
Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade Paulista (UNIP), Campus Manaus-AM como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação (Mecatrônica).
Orientador: Prof. M.Sc. Gustavo Cunha da Silva Neto
MANAUS - AM
MONIEL DE OLIVEIRA FERREIRA
SANDRINA SOUZA IPUCHIMA
WILTON PEREIRA SILVA
PROJETO DE UM BRAÇO ROBÓTICO PARA FINS DIDÁTICOS COM
QUATRO GRAUS DE LIBERDADE E UMA GARRA
Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade Paulista (UNIP), Campus Manaus-AM como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação (Mecatrônica).
Manaus, 26 de Junho de 2012. Banca Examinadora:
Prof. M.Sc. Gustavo Cunha da Silva Neto Orientador – UNIP
Prof. Esp. Manoel de Assis Monteiro Examinador - UNIP
Prof. Esp. José Carlos Benigno Gonçalves Examinador - UNIP
Prof. Esp. Alessandro Passos de Castro Examinador - UNIP
DEDICATÓRIAS
Eu, Moniel, dedico com todo amor de minha vida a alguém que me concebeu e me motivou, me levantou nos momentos mais difíceis de minha vida a qual superei e tendo a superar. Obrigado meu Deus. Dedico também a todas as pessoas que tiveram ao meu lado nessa caminhada e me apoiaram se fosse citar nomes escreveria um livro, mas em especial ao meu pai Moises Lemos Ferreira que não se encontra ao meu lado, mas reconhece e acreditou e me incentivou aos estudo ate o fim, pois precisaria de muitos ontem com ele para viver o hoje. Minha mãe Rosilene de Oliveira Ferreira e meus irmãos, minha namorada futura esposa que me sempre tiveram a meu lado.
Eu, Sandrina, dedico este trabalho primeiramente a Deus, por ter certeza de que ele esteve presente em todos os momentos dessa longa jornada, e que me supri de forças em todos os momentos da minha vida. Dedico também aos meus pais Sandra e Wigberto Ipuchima, aos meus irmãos Sandriara, Same e Victor, que apesar da distância sempre me apoiaram e incentivaram em todas as minhas decisões, e que não mediram esforços em me ajudar nas horas difíceis. Dedico especialmente ao meu esposo Renato, pelo apoio, compreensão, carinho e por ter me incentivado todos esses anos em meus estudos.
Eu, Wilton, dedico este trabalho à minha família, em especial o minha filha Victória, a minha mãe Sandra e a minha esposa Viviane pelo incentivo, paciência e pela compreensão dada ao meu estudo.
“Descobri como é bom chegar quando se tem paciência. E para se chegar, onde quer que seja, aprendi que não é preciso dominar a força, mas a razão. É preciso, antes de mais nada, querer.” Amyr Klink
RESUMO
Este presente trabalho visa o desenvolvimento de um braço robótico para fins didático com quatro graus de liberdade e uma garra, acionado por servomotores. O braço é controlado pelo microcontrolador PIC 18F4550 ao qual e conectado um computador pessoal através da interface serial. Um software em execução envia comandos ao PIC que os interpreta e executa a fazer determinadas tarefas.
Palavras - chave: braço, servomotores, microcontrolador.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1: CONCEITOS BÁSICOS DE UM ROBO ................................... 19
FIGURA 2: ESQUEMA DE NOTAÇÃO DE ELOS E JUNTAS NUM RAÇO
ROBÓTICO ILUSTRATIVO ........................................................................ 19
FIGURA 3: SEQUÊNCIA DE ELOS NUMA JUNTA DE UM BRAÇO
ROBÓTICO ................................................................................................. 20
FIGURA 4: ROBÔ MANIPULADOR PUMA MOSTRANDO JUNTAS E
ELOS .......................................................................................................... 20
FIGURA 5: JUNTAS CINEMÁTICAS INFERIORES.................................... 21
FIGURA 6: REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE JUNTAS
ROTATIVAS E DE JUNTAS PRISMÁTICAS............................................... 22
FIGURA 7: (a)GRAUS DE LIBERDADE DE UM CORPO LIVRE NO ESPAÇO TRIDIMENSIONAL (b)GRAUS DE LIBERDADE DE UM CORPO LIVRE NO ESPAÇO BIDIMENCIONAL......................................... 24 FIGURA 8: GRAUS DE LIBERDADE EM UM ESPAÇO (3D) DIMENCIONA ............................................................................................. 24 FIGURA 9: GRAUS DE LIBERDADE NECESSARIOS PARA DOIS EXEMPLOS DE MOVIMENTOS.................................................................. 25 FIGURA 10: DUAS GARRAS ACIONADAS POR MOTOR DE DOIS DEDOS PARALELOS.................................................................................. 26 FIGURA 11: GARRA ACIONADA POR PARAFUSO.................................. 26 FIGURA 12: ROBÔ MOTOMAN.................................................................. 27 FIGURA 13: DIFERENTES ESPAÇOS DE TRABALHO EM MANIPULADORES DE DIFERENTES ANATOMIAS.................................. 28 FIGURA 14: GEOMETRIA DO ESPAÇO DE TRABALHO DE UM ROBÔ MOTOMAN.................................................................................................. 29 FIGURA 15: MANIPULADOR CARTESIANO (PPP)................................... 30 FIGURA 16: MANIPULADOR CILINDRICO (RPP)..................................... 30 FIGURA 17: MANIPULADOR ESFERICO (RRP)........................................ 31 FIGURA 18: MANIPULADOR ARTICULADO HORIZONTAL - SCARA (RRP)........................................................................................................... 31
FIGURA 20: TRANSFORMAÇÃO ENTRE VARIAVEIS DE JUNTAS E
LISTA DE TABELAS
TABELA 1: VOLUME DE ESPAÇO DE TRABALHO DE ESTRUTURAS
CINEMÁTICAS.......................................................................................... 29
TABELA 2: PARÂMETROS DE DENAVIT-HARTENBERG 39
TABELA 3: CONTROLE BÁSICO E SUAS DESCRIÇÕES ..................... 49
TABELA 4: TIPOS DE VARIÁVEIS E SUA CAPACIDADE DE USO ....... 50
TABELA 5: TIPOS DE DADOS DISPONÍVEIS POR PADRÃO NO
COMPILADOR CCS.................................................................................. 52
TABELA 6: ESPECIFICAÇÃO DE CONSTANTES EM NOTAÇÃO
DECIMAL .................................................................................................. 52
TABELA 7: CRONOGRAMA DE ATIVIDADES ........................................ 65
TABELA 8: PROPRIEDADES DOS MATERIAIS...................................... 66
TABELA 9: CUSTOS DO PROJETO......................................................... 75
LISTA DE ABREVIATURAS
CAD - Computer Aided Design RIA - Associação das Indústrias de Robótica DOF - Degrees of Freedom GDL – Graus de Liberdade PPP – Prismático, Prismático, Prismático RPP – Rotação, Prismático, Prismático RRP - Rotação, Rotação, Prismático RRR - Rotação, Rotação, Rotação DH - Denavit Hartenberg PIC - Controlador de interface periférica AD – Analógico digital PC - Personal Computer USB – Universal serial bus RAM – Randon Access Memory EEPROM – Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory CPU – Central Processing Unit AC - Corrente Alternada DC - Corrente Contínua CLP - Controle Lógico Programável LCD – Display de Cristal Líquido CCS - Custom Computer Services C – Linguagem de programação
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INTRODUÇÃO
Desde os primórdios o homem vem criando ferramentas e utensílios que o auxilie ou o substitua na execução de determinadas tarefas. Antigos sacerdotes egípcios construíram os primeiros braços mecânicos, os quais eram colocados em estatuas de Deuses que pretendiam estar atuando sob a direta inspiração do Deus representado, sem duvida, para impressionar o povo. O interesse do homem em mecânica, robôs, e outras tecnologias continuam até nossos dias. Os sistemas mecatrônicos são de uma forma geral a maior delas, pois são formados de componentes mecânicos, eletrônicos e computacionais, e tem como característica fundamental a interação com o ambiente e, de maneira geral, podem ser considerados como sistemas de tempo real. A robótica é a área que se preocupa com o desenvolvimento de tais dispositivos. Robótica é uma área multidisciplinar, altamente ativa que busca o desenvolvimento e a integração de técnicas e algoritmos para a criação de robôs. Neste presente trabalho de conclusão de curso iremos abordar sobre o que é necessário, e como construir um braço manipulador para fins didáticos, nele consta tudo o que foi preciso para o desenvolvimento e construção do mesmo, como por exemplo: tipos de juntas e suas aplicações; graus de liberdade; diferentes tipos de garras cada qual com sua vantagem, desvantagem e grau de dificuldade para a construção do mesmo e ainda exemplos de onde cada uma poderá ser empregada; tipo de programação do braço manipulador e no caso também o software utilizado para elaboração do programa, já que não fizemos uso de um CLP e sim de uma placa PIC. Aplicando assim boa parte das disciplinas e conceitos empregados a área que envolve por sua vez a Engenharia Mecatrônica, mostrando um pouco do que pode ser feito dentro da robótica, para que através deste presente trabalho, outros possam vir a ter uma melhor clareza sobre esta tão diversificada área. Sendo a mesma uma junção de outras áreas da Engenharia, como a Mecânica, a Elétrica e a Computação.
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
- Desenvolver um protótipo de um braço robótico (manipulador robótico), com quatro graus de liberdade e uma garra para fins didáticos, tendo como requisito apresentar um projeto que possa ser usado didaticamente por alunos de níveis técnicos e superiores, a fim de aprimorar o aprendizado metodológico e os conceitos teóricos abordados em sala de aula.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Apresentar sua fonte de programação e esquema da placa eletrônica controladora.
- Exemplificar a lógica aplicando conceitos adquiridos no decorrer do curso como desenvolver um software de comunicação eletrônica atuando no sistema mecânico.
- Simular o circuito no software PROTEUS.
- Proporcionar a verificação prática dos conceitos teóricos abordados em sala tais como: Controle e servomecanismo; mecânica de máquinas; e microcontroladores.
- Utilizares da técnica de controle de posicionamento verificando seus desempenhos em sistemas e suas variáveis de controle.
- Adquirir conhecimento em Software Autodesk Inventor , e executar o desenvolvimento de projetos mecânicos em 3D.
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4. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste tópico será apresentado o conceito teórico no qual o projeto foi fundamentado. Com o desenvolvimento de um manipulador robótico no qual seus sistemas mecânicos multifuncionais, cujo sistema de controle permite governar o movimento de seus membros acionados diretamente por programa computacional servido com seus devidos componentes necessários para sua execução.
4.1 O QUE É ROBTICA
Uma definição supostamente “oficial” do termo robô foi estabelecida pela Associação das Indústrias de Robótica [RIA]: um robô industrial é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis programados para realização de uma variedade de tarefas (Pazos, 2002). Do ponto de vista de um conceito amplo do termo robô, essa definição corresponderia apenas a uma classe especifica de robôs, precisamente os robôs manipuladores. Existem muitas definições diferentes, dependendo do ponto de vista e, em geral, da área na qual se trabalhe com os robôs.
4.2 ESTRUTURA DOS ROBÔS MANIPULADORES
O braço robótico (Rosário, 2005) é um manipulador projetado para realizar diferentes tarefas e ser capaz de repeti-las. Para executá-las, o robô move partes, objetos, ferramentas e dispositivos especiais segundo movimento e pontos pré- programados.
A estrutura de um robô manipulador consiste basicamente numa série de corpos rígidos, idealmente sem deformação pela ação de forças aplicadas sobre estes e que em geral são feitos de um material resistente como o aço, os que se denominam elos ( links dependendo da aplicação, os mesmo estão unidos por juntas que lhes permitem ter um movimento relativo entre si. Assim, em alguma localização do elo, existirá uma junta que o une com o elo seguinte, permitindo cadeia cinemática aberta de elos interligados por juntas (Pazos, 2002).
Figura 2: Esquema de notação de elos e juntas num braço robótico ilustrativo.
Numa junta qualquer, o elo que estiver mais próximo da base elo de entrada. O elo de saída é aquele mais próximo do órgão terminal, como ilustrado na Figura 3.
Figura 1: Conceitos básicos de um robô. Fonte: Rosário, 2005.
A estrutura de um robô manipulador consiste basicamente numa série de corpos rígidos, idealmente sem deformação pela ação de forças aplicadas sobre estes e que em geral são feitos de um material resistente como o aço, os que se links ). Esses elos podem ter diversos tamanhos e formas dependendo da aplicação, os mesmo estão unidos por juntas que lhes permitem ter um movimento relativo entre si. Assim, em alguma localização do elo, existirá uma junta que o une com o elo seguinte, permitindo-lhe um movimento, formando cadeia cinemática aberta de elos interligados por juntas (Pazos, 2002).
: Esquema de notação de elos e juntas num braço robótico ilustrativo.
junta qualquer, o elo que estiver mais próximo da base elo de entrada. O elo de saída é aquele mais próximo do órgão terminal, como
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A estrutura de um robô manipulador consiste basicamente numa série de corpos rígidos, idealmente sem deformação pela ação de forças aplicadas sobre estes e que em geral são feitos de um material resistente como o aço, os que se Esses elos podem ter diversos tamanhos e formas dependendo da aplicação, os mesmo estão unidos por juntas que lhes permitem ter um movimento relativo entre si. Assim, em alguma localização do elo, existirá uma lhe um movimento, formando-se uma cadeia cinemática aberta de elos interligados por juntas (Pazos, 2002).
: Esquema de notação de elos e juntas num braço robótico ilustrativo.
junta qualquer, o elo que estiver mais próximo da base é denominado elo de entrada. O elo de saída é aquele mais próximo do órgão terminal, como