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Desenvolvimento de Robô Manipulador Baseado em Componentes

1. 2 2 ARQUITETURA DA APLICA O ROBOTIZADA DID TICA 5 VRL Este tipo de caracteriza o denomina tamb m o seu sistema geom trico coordenadas isto porque descreve igualmente o tipo de movimento que o ro b executa Na Figura 2 3 encontram se representadas as estruturas dos v rios tipos de rob s e sua designa o a b j ee DR A gt gt 1 H fm j y Figura 2 3 Representa es de estruturas de rob s do tipo a Cartesiano b Cilindr co c Esf rico d Articulado e SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm Associada compra de um rob manipulador industrial necess rio com prar a respectiva unidade controladora Este equipamento fornece a alimenta o necess ria para o rob manipulador e controla a sua atividade Esta unidade normalmente bastante volumosa o que dificulta a gest o de espa o relacionada com a sua instala o Por vezes necess rio adaptar novas instala es o que proporciona a que os pre os dos rob s manipuladores industriais atinjam facil mente montantes que n o podem ser suportados pelas institui es de ensino 2 2 Arquitetura da aplica o robotizada did tica O rob manipulador desenvolvido neste trabalho possui quatro eixos de liberda de e uma ferramenta do tipo garra e assenta numa arquitetura que compreende diversos blocos tal como ilustrado na Figura 2 4 Aplica o de controlo e supervis o Manipulador Simula
2. Lista de Tabelas 3 1 Principais caracter sticas do servomotor Dynamixel AX 12 for necida pelo fabricante ROBOTIS lt lt lt Cap tulo 1 Introdu o 1 1 Contextualizacao Nos dias que correm os rob s manipuladores industriais s o cada vez mais usa dos pela ind stria em diversos tipos de aplica es tais como soldadura as semblagem pintura e manipula o dos mais variados objectos Este cont nuo crescimento proporciona um significativo aumento na procura de pessoal de vidamente qualificado para gerir o seu funcionamento Por sua vez o referido incremento da procura de m o de obra especializada leva a que as institui es de ensino se adaptem ao mercado de emprego de modo a colmatar essa necessidade aumentando a necessidade de forma o na rea da rob tica Apesar de o equipamento rob tico industrial ser crucial no aux lio aprendi zagem de actividades relacionadas com a rob tica o seu elevado pre o associado a estes sistemas automatizados torna praticamente imposs vel a sua aquisi o por entidades educacionais tais como universidades ou escolas profissionais 1 2 Objectivos Este projeto surgiu da necessidade de conceber uma plataforma que permitisse estabelecer uma conex o mais aprofundada entre as aulas te ricas e as aulas pr ticas de disciplinas que abordem sistemas robotizados De modo a colmatar essa car ncia emergiu o plano de desenvolver um rob manipulador de baixo custo que fo
3. o do ambiente que rodeia o rob manipulador 6 2 Discuss o de resultados Outros testes experimentais revelaram que ap s uma breve an lise robustez f sica do manipulador verificou se que existe uma consider vel folga na pr pria estrutura dos servomotores Dynamizel esta folga mais acentuada em pontos mais junto base porque suportam mais peso Devido ao facto deste trabalho ter como objectivo apenas a utiliza o de componentes Bioloid mantendo a estrutura j utilizada em projetos anteriores esse problema n o foi resolvido Na posteridade essa lacuna poder ser facilmente colmatada com o fabrico de pe as de estrutura mais robustas e desenhadas com a finalidade de constru rem um rob manipulador V rias s o as entidades independentes que com o recurso a uma simples impressora 3D fabricam essas mesmas pe as estruturais Uma outra maneira mais simples de tentar resolver o mensionado problema seria adicionar umas argolas anilhas nos locais mais cr ticos Caso estas permitam continuar a boa liberdade de movimetos do manipulador seria a forma mais r pida e barata de conceber a robustez pretendida no rob Ap s a montagem completa do manipulador e j devidamente conectado foram feitos alguns testes Testes estes que revelaram que a velocidade de ac tua o dos Dynamizels excessiva para a aplica o em causa o que acentua terrivelmente o mau amortecimento do sistem em resposta s instru es da das pelo c
4. Constraints akTop akLeft False bdLeftToRight Formi TControlChildSizir U clDefault Restricted alNone False False 255 False biSystemMenu bih bsSizeable 0 unit Uniti Smode objfpc SH interface uses Classes SysUtils FileUtil Forms Cc type TFormi class TForm private private declarations public public declarations end var Formi TForml implementation SR 1 m TSizeConstraints Modified INS unitl pas Package gt Open packege file lpk 61 62AP NDICE C INSTALA O DA COMPONENTE DE SOFTWARE GLSCENE File Edit Search View Project Run Package Tools Environment Window Help OEM EIEE Standard Additional Common Controls Dialogs Misc Data Control Data Access System SmEdit RTTI JIPro Chart SQudb Properties Events Favorites Restrietea Action ActiveControl Align AlphaBlend AlphaBlendValue Anchors AutoScroll Auto Size BiDiMode Borderlcons BorderStyle BorderWidth Caption ChildSizing Color Constraints AllowDropFiles alNone False False 255 akTop akLeft False False bdLeftToRight biSystemMenu bih bsSizeable 0 Formi TControlChildSizir Dlaefaut TSizeConstraints B 9 Save Compile Install Add Remove Options Compiler Options Help n B Files Compile package I ASuorcewesm e FXCollect
5. Este relacionamento deve ser constru do tendo em conta o mecanismo das pe as f sicas Ap s a associa o do novo objecto se encontrar correcta neces s rio alinhar o posicionamento do novo objecto de modo a construir o modelo do rob 5 2 CONSTRU O DO MODELO 3D 37 Ad Es B a g x E E 4 T Scene root 4 Scene objects 4d GLLightSource2 4 GLEarthSkyDomet 4 Ba GLCamerat i GLLightSourcet 4 M CLCube11 4 M Slcubei a T GlCylinderi i GLCubeg a T GlCylinder2 4 B GLCube2 M GLCube 4 B GlCylinder3 4 GLCube3 GLCube10 4 M GLCube4 a B GlCylinders 4 GlCubes a GlCylinders SD GLFrustrumt 4 GLCube7 a GLCyindere SD GLFrustrum2 SD GLFrustrum3 4 B GLCube5 al GLShadowPlanet P GLDummyCubet HB GLKYZGridt ED oLPostettect1 Figura 5 4 GLScene Editor finalizado Depois de todos os objectos se encontrarem devidamente associados e na sua posi o correta poss vel adicionar alguns detalhes ao cen rio criado Os detal hes contidos neste projeto foram GLEarthSkyDome GLShadowPlane GLX YZ Grid e GL PosEffect Tal como se pode verificar na Figura 5 5 a op o Active Shadows e Use Stencil contidas na janela de op es avan adas s o meramente est ticas de modo a melhorar o ambiente gr fico do modelo do rob O utilizador disp e portanto de tr s modos de sombras Sendo um deles o exibido na Figura 5 5 em a que relativo ao uso de uma sombra no
6. Terrain GL scene Shaders k PEB TAR E Be 2 P ri Form FE x Figura 5 2 Adicionar uma GLScene e GLScene Viewer Ap s a adi o destes dois componentes existem outros componentes que s o tamb m eles de extrema import ncia portanto necessidade obrigat ria de todos os cen rios necessitarem de uma Camera c mara Para se adicionar este elemento tal como se pode ver na Figura 5 3 temos em primeiro lugar de abrir o GLScene Editor editor de cen rios sendo que para isso preciso fazer duplo clique no cone GLScene Seguidamente clicando com o bot o direito do rato em Scene objects aparece a janela de ferramentas indicada na mesma figura com o n mero 1 Para ent o adicionar uma c mara basta clicar em Add camera O GLScene Viewer necessita indispensavelmente de ter uma c mara associa da este passo faz se r pidamente no Object Inspector do GLScene Viewer Uma vez que este componente tenha uma c mara a ele associado j poss vel ver o cen rio criado na janela se bem que se este se encontrar sem elementos tal facto n o vai ser diferenciado 36 CAP TULO 5 SIMULADOR 3D GL5cene Editor G POB gt p Ia x EF a Scene root Dpen L Feedback OpenGL FrameBuffer 2 BE GLO Ma Add camera Sy Camera W Add object k P E Add behaviour k Dummylube m Basic geometry k a Sprite Advanced qeametry Plas Points Mesh objects fy Lines Ctrl Graph plo
7. encontram exibidos na Figura 4 7 As outras op es relativas ao uso das sombras da grelha e da visualiza o em 3D encontram se descritas no cap tulo 5 2 onde juntamente feita uma descri o da constru o do simulador 3D 4 2 2 Modo de opera o manual Na Figura 4 11 o conte do do separador Manual Operation esta divis ria con densa os antigos separadores Torque based record e Hapatic record Manual e o nico local onde se tem acesso tabela de estados dos Dynamizels A esta re ferida tabela foi lhe reduzido o seu conte do sendo que passou a conter apenas a informa o mais importante para o utilizador ou seja o ngulo dos servomo tores e a sua correspondente temperatura Todas as posi es dos Dynamizels ou seja os ngulos sao agora exibidas em graus e n o numa escala de 0 a 10283 Esta convers o foi estabelecida por uma convers o linear descrita na equa o 4 2 1 300 x Posi o 1023 Embora o utilizador veja sempre a posi o dos servomotores em graus a aplica o trabalha sempre na escala pr pria dos Dynamizels entre O e 1023 isto porque mais f cil de processar essa informa o quando se gravam ficheiros e se abrem em outro local como ser explicado seguidamente no cap tulo 4 2 3 Angulo 4 2 1 Educational Manipulator File Options Help Manual Operation Programing Configuration Angle Temp 0 Figura 4 11 Educational Ma
8. equipado com duas portas RS485 e RS422 de 3 pinos e outra de 4 pinos tal como se pode constatar na Figura 3 15 Para este projeto foram utilizados unicamente servo motores Dynamizel AX 12 o que apenas requereu a utiliza o da porta RS485 Como j foi constatado anteriormente a quando a descri o dos servomotores em causa estes comunicam atrav s de um sinal de comando em formato TTL assim sendo necess rio comutar o interruptor de selec o de fun es para a posi o TTL 9 15 Status Display LED Serial Connector E Cs 4P Connector 3P Connector Figura 3 15 Adaptador USB2Dynamizel De modo a alimentar os Dynamizels necess rio utilizar uma fonte de tens o adequada s caracter sticas dos mesmos devemos ent o utilizar uma fonte de alimenta o igual ou semelhante ao da Figura 3 16 Figura 3 16 Power tranformer SMSP fonte de alimenta o para os Dynamizels 12V Por fim necess rio um adaptador SMSP2Dynamizel como o exibido na Figura 3 17 Esta pequena pe a de equipamento permite fornecer a energia vinda do transformador de tens o para os servomotores Dynamizels Este adaptador estabelece a conex o entre o USB2Dynamizel e os pr prios Dynamizels sem alterar em nada as instru es de comando que por ele passam Figura 3 17 Adaptador SMSP2Dynamizel Uma vez que a estrutura do rob manipulador se encontre completa neces s rio estabelecer as comunica es entre o
9. error Overload error Checksum error Range error Overheating error Angle limit error nput voltage error Figura 4 2 Modo de controlo de opera es Operation do Dynamizel Manager No separador Configure pode se efetuar algumas limita es relativamente aos ngulos voltagem temperatura e bin rio Embora o programa desenvolvi do neste projeto Educational Manipulator Studio possa tamb m fazer algumas dessas configura es na mesma poss vel efetuar previamente e independente mente para cada Dynamizel no Dynamizel Manager Conforme consta na Figura 4 3 poss vel configurar a fun o que pretendemos que a luz de alarme Alarm LED possua e qual a sua consequ ncia Uma caracter stica bastante interes sante neste programa apesar de neste projeto n o ter sido utilizada pois n o se enquadra a op o de modo de opera o Operating Mode Esta configura o tem duas op es funcionamento do servomotor como junta ou seja com 3002 de funcionamento ou modo roda em que o Dynamizel deixa de possuir limita es de ngulos e apenas controlamos sua a velocidade e direc o 4 1 SOFTWARE ROBOTIS DYNAMIXELMANAGER 19 Connection C Advance A Help H 2 Dynamixel s Found Operation Configure Network i Baudrate 1 o ID 15 ID 17 Operating Mode Joint Wheel Temp Limit Max Torque Angle Limit 100G 1023 p CCw 1023 Cw 0 1023 100 Voltage Limit 5 H
10. o diret rio onde se deseja gravar os pontos Se o utilizador gravar um ficheiro com os pontos a localiza o do ficheiro em que se encontra a trabalhar exibida no fundo do separador Progra ming em Working file e s ser alterada no caso de se utilizar a op o Save as e gravar num outro direct rio Uma vez completa a adi o de posi es poss vel correr esse mesmo pro grama premindo o bot o Play A execu o do programa consiste em o rob adquirir as posi es previamente gravadas pela mesma ordem em que estas mesmas foram adquiridas Uma barra de progresso permite ao utilizador visua lizar em que estado a execu o do programa se encontra De modo a completar esta percep o do estado onde o programa se encontra exibido tamb m o n mero espec fico do movimento que o rob se encontra a executar bem como o tempo que demora a sequ ncia de movimentos at ao movimento actual Para o caso de o utilizador querer repetir ciclicamente a execu o do seu programa basta activar a op o Loop ciclo e o programa executa os movi mentos que foram adicionados repetidamente at que o utilizador intervenha para parar Essa a fun o do bot o STOP que tal como o bot o Torque tem umas dimens es relativamente maiores de modo a servir tamb m de bot o de paragem de emerg ncia Na eventualidade do utilizador pretender aceder diretamente a um ponto no meio da sua lista de pontos apenas necessi
11. Escola Superior de Tecnologia e Gest o pb INSTITUTO POLIT CNICO DE BRAGAN A Desenvolvimento de Rob Manipulador Baseado em Componentes Bioloid Lu s Filipe Reis de Sousa Relat rio Final de Est gio Profissional apresentado Escola Superior de Tecnologia e de Gest o Instituto Polit cnico de Bragan a para obten o do grau de Mestre em Engenharia Industrial Dezembro de 2012 Escola Superior de Tecnologia e Gest o pb INSTITUTO POLIT CNICO DE BRAGAN A Desenvolvimento de Rob Manipulador Baseado em Componentes Bioloid Lu s Filipe Reis de Sousa Relat rio Final de Est gio Profissional apresentado Escola Superior de Tecnologia e de Gest o Instituto Polit cnico de Bragan a para obten o do grau de Mestre em Engenharia Industrial Orientador Prof Dr Jos Lima Co orientador Prof Dr Paulo Leitao Supervisor na Empresa Fundaci n Cartif Prof Dr Juan Carlos Fraile Dezembro de 2012 Agradecimentos Ao longo dos ltimos anos foram muitas as pessoas desde professores a colegas com quem me cruzei e que em muito contribu ram para a minha forma o quer como futuro profissional quer como pessoa Um obrigado a todas elas Gostaria por m de expressar um especial agradecimento aos meus pais uma vez que sem eles nada disto seria poss vel pelo apoio que sempre me deram ao longo de toda a minha vida acad mica Gostaria de agradecer ao Professor Jos Lima o meu orientador ao Profes
12. Save Compile Install Add Remove Options Compiler Options Help The package GLScene DesignTime 1 0 was marked for installation Currently lazarus only supports static linked packages The real installation needs rebuilding and restarting of lazarus BUD Do you want to rebuild Lazarus now ve JL no ASourcetPropertyEditorsiFRFaceEditorLCL pas DODDDO E 4 File Properties lessad ChlazarustcomponentsiglsceneNLazarusiglscene designtime lpk U lazarus components giscene source wa Compiling package GLScene_DesignTime 1 0 completed m CMazarus components glscene Source DesignTime GLSceneRegisterLCL pas 32 81 Hint Unit Laz XMLCfg not usi CMazarus components glscene Source DesignTime GLSceneRegisterLCL pas 55 69 Hint Unit BaseClasses not use amp CAlazarus components glscene Source PropertyEditors InfoL CL pas 182 58 Hint Local variable pfd does not seerr r Rebuild Lazarus gt Yes Environment Window Help File Edit Search View Project Run Package Tools Sa B Bia Ea Data Controls Data Access System SynEdit LazControls Seb leasce DRED IEA D E E Pe 8 0 Formi TForml Properties Favorites Action ActiveControl Align AllowDropFiles AlphaBlend AlphaBlendValue Anchors E AutoScroll Auto Size BiDiMode Borderlcons BorderStyle BorderWidth Caption ChildSizing Col
13. SceneLCL Irs Source DesignTime GLSceneObjectsL CL Irs Source DesignTime GLSceneRegisterLCL pas Source DesignTime nonGLSceneLCL Irs Source DesignTime RegisterXC ollection pas hSourceXGLObjectManager pas Source PropertyEditors FLibMaterialPickerLCL pas Source PropertyEditors FMaterialEditorFormLCL pas Source PropertyEditors FRC olorEditorLCL pas ASourcetPropertyEditorsAFRFaceEditorLCL pas 4 File Properties amp CMazarus components glscene Source DesignTime GLSceneRegisterLCL pas 32 81 Hint Unit Laz XMLCfg not usi amp CMazarus components glscene Source DesignTime GLSceneRegisterLCL pas 55 69 Hint Unit BaseClasses not use CAlazarus components glscene Source PropertyEditors Infol CL pas 182 58 Hint Local variable pfd does not seerr Compiling package GLScene_DesignTime 1 0 completed Install package in the IDE gt Install File Edit Search View Project Run Package Bi B6ID Tools Environment Window Help Favorites Properties Action ActiveControl Align AllowDropFiles AlphaBlend AlphaBlendValue Anchors AutoScroll Auto Size BiDiMode Borderlcons BorderStyle BorderWidth Caption l ChildSizing Color Constraints l False False 255 akTop akLeft False False bdLeftToRight biSystemMenu bih bsSizeable 0 Formi TControlChildSizir clDefault TSizeConstraints T E q S lo
14. a em Options deveras til denomina se ON LINE Mode Caso este elemento se encontre seleccionado o modelo 3D do rob acompanha todos os passos dados em simult neo do manipulador Por outro la do se esta op o n o estiver verificada s poss vel mover o modelo 3D atrav s da altera o da posi o das barras deslizantes contidas no separador Manual Operation A enorme vantagem que esta op o permite de que se torna poss vel construir um programa sem ter o rob conetado ao computador Uma outra caracter stica desta op o quando selecionada vis vel no separador Manual Operation o bot o Refresh Angles este bot o quando premido recebe a posi o dos Dynamizels e actualiza a aplica o com esses valores Se o ONLINE Mo de n o se encontrar seleccionado em vez do bot o Refresh Angles vis vel um bot o Add Point que facilita a programa o OFFLINE File Options Help l File Options Help Open File Options Help Help About Language English EN Save Calculator Portugu s PT Calendar Espa ol ES Exit ONLINE Mode Save as Figura 4 14 Barra de menus expandida Por fim encontra se dispon vel a op o Help ajuda Nesta op o encontra se novamente a op o Help que no caso de se aceder esta a aplica o abre uma nova janela com um menu interactivo do tipo rvore de n s conforme se po de observar na Figura 4 15 Tal como o resto da aplica o a linguagem aqu
15. a na Figura 6 5 Para este tipo de programa o s o evidentes as vantagens no controlo de uma trajet ria isto porque requer menos pontos de refer ncia e pode se contudo obter resultado final mais perfeito 5 Moved P 3 X Y Z Ficheiro Editar Fllvs7 O Movel 6 Moved PCO X Y Z eee P 4 X Y Z VO 1 MoveL PCI X Y Z 7 MoveL v30 P 5 X Y Z v30 2 Closegrah 3 MoveL 8 opengrah PCO X Y Z a 9 Movel P 4 X Y Z 4 Movel v30 P2 X Y Z rue 10 stop Figura 6 4 Ficheiro texto com instru es do c digo principal em RAPID Osso e e P 2 P 3 PU 5 Figura 6 5 Exemplo de traject ria Finalmente importante referir que o modo de programa o em RAPID fornecido pela aplica o n o foi terminado nesta vers o da aplica o sendo que independentemente do tipo de movimento selecionado os movimentos exe cutados s o sempre do tipo J o que signica que s o traject rias ponto a ponto 44 CAP TULO 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Embora todas as bases de este tipo de programa o j se encontrem presentes tal como se pode constatar no exemplo fornecido Como sugest o de trabalho futuro deve se desenvolver corretamente um modelo de cinem tica inversa para se adaptar na aplica o j preparada para essa fun o Adicionalmente seria interessante adicionar se um modo de vis o artificial ou acrescento de v rios sen sores de modo a que a aplica o possa absorver mais informa
16. a o funciona mento do projeto basta ent o sair dessa janela Comment Out abrir as Form relativas a essa demo e adicionar as unidades em falta Na Figura 5 1 poss vel 33 34 CAP TULO 5 SIMULADOR 3D ver o ambiente de uma das demos criado pela componente GLScene no Lazarus 6 o Ra IDE v0 9 30 2 Actor Ipi debugging File Edit Search View Project Run Package Tools Environment Window Help 2 3 ABE Data Access System SynEdit LazControls Chart IPro RTT GLScene ocbmases k HARD m OTE E Peca B 6 c lazarus components glscene demos meshes actor Actor exe MIrace Win32Object Init Register Failed A 5 Scene root ER CHINTI TWinControl Createlind creating Handle during loading StatusBari TStatusBa ar Scene objects ir csDesigning False ROM CHINT TWinControl Createlind creating Handle during loading Panel1 TPanel csDesi 4 DummyCubet gning False 2 GlLLightSourcel HINT TWinControl CreateWnd creating Handle during loading CB nimations TComboB Sy CLCamerat ox csDesigning False HINT TWinControl CreateWnd creating Handle during loading BBLoadWeapon TBitBtn lt Disk1 csDesigning False 4 3 EE CHINT TWinControl CreateWnd creating Handle du ica dozdino CDCnoctI Tolo Das sDes igning False lt a 0 0 FPS O x A Actor2 HINT TWinControl CreateWnd creating Handle Animation stand E V Smooth Load Weapon eneViewer csDesigning Fa
17. ado atrav s de uma apli ca o desenvolvida na plataforma Lazarus que utiliza a linguagem de progra ma o Pascal A aplica o desenvolvida permite para al m de controlar o rob manipula dor construir programas que contenham os movimentos adquiridos pelo rob na execu o de trajet rias Estes programas podem ser guardados em ficheiros de texto e podem ser acedidos pela aplica o quando for pretendido Os ficheiros que armazenam os programas cont m informa o relativa posi o dos servo motores e a velocidade da correspondente trajet ria a executar sendo este um modo simples e eficaz de programar por aprendizagem de pontos De forma a melhorar a interface com o utilizador foi desenvolvido um si mulador tridimensional do rob manipulador que permite replicar fielmente os movimentos do rob manipulador e proporciona a vantagem ao utilizador de construir os seus programas sem ter necessariamente o pr prio rob conectado unidade de controlo Foram tamb m acrescentadas v rias op es adicionais e um modo de pro grama o alternativo que se assemelha linguagem de programa o RAPID mesmo que ainda em desenvolvimento este modo permite ao utilizador apro ximar a sua experi ncia de programa o nesta aplica o programa o de um rob industrial comercial Este modo de programa o permite guardar a infor ma o relativa ao seu programa principal sendo que o ficheiro em causa ir conter informa o r
18. ador 13 Figura 3 11 Montagem da zona m dia do manipulador Para uma melhor ader ncia da garra ferramenta com os objetos a serem manipulados foi colado nas extremidades interiores da garra um tipo de espon ja suave que se adapta facilmente aos contornos dos objetos manipulados ver Figura 3 12 Figura 3 12 Garra com esponjas nas extremidades 14 CAP TULO 3 CONSTRU O F SICA DO MANIPULADOR Figura 3 13 Montagem da zona da garra Resta referir os materiais utilizados na alimenta o e controlo dos Dynami rels Assim sendo e como n o podia deixar de ser s o requeridos cabos que estabelecem a comunica o e fornecem a alimenta o aos servomotores Mais uma vez a ROBOTIS fornece o equipamento necess rio ver Figura 3 14 Op cionalmente estes cabos podem tamb m ser fabricados pelo pr prio utilizador Figura 3 14 Cabos de alimenta o e comunica o entre os servomotores e seu controlador De modo a estabelecer a comunica o entre o PC e os Dynamizels foi uti lizada o important ssimo adaptador USB2Dynamizel Este adaptador permite eliminar o uso da consola de programa o CM 5 e estabelecer uma conex o directa entre os Dynamizels e o computador por meio USB Noutros casos es ta ferramenta tamb m permite transformar uma porta USB numa porta s rie Este pequeno aparelho permite controlar diretamente uma vasta fam lia de ser vomotores Dynamizel sendo essa a raz o de este se encontrar
19. alguma informa o sobre a vers o da aplica o institui o patrocinadora e os autores da mesma ver Figura 4 16 MainMenu Tal como o pr prio nome indica este elemento cria a barra de menus sendo que os seus elementos foram adicionados manualmente na interface fornecida ao clicar no referido elemento ver Figura 4 14 Timer um rel gio que conta de quanto em quanto tempo se faz a leitura dos sensores dos Dynamizels OpenDialog Este componente fornece acesso janela do Windows de abrir ficheiros este tamb m se encontra na janela Programing in RAPID em que nesta mesma janela n o abre unicamente ficheiros que cont m os pontos como na janela principal da aplica o mas abre tamb m o texto do programa principal SaveDialog semelhan a do OpenDialog este componente desempenha a fun o complementar n o de abrir ficheiros mas sim de os guardar o formato em que s o gravados edit vel e para este caso foi escolhido mvm Timer um rel gio que permite contar o tempo de quando o programa se encontra em execu o Play GLScene Este componente permite criar um ambiente 3D Foi aqui que foi constru do o modelo tridimensional do manipulador a maneira de ser trabalhar no referido componente encontra se anteriormente descrita neste cap tulo GLSimpleNavigation A adi o deste elemento permite que o utilizador da aplica o possa mover a posi o da c mara
20. ao seu agrado navegando facilmente pelo modelo 3D CalculatorDialog Quando este componente invocado aparece uma cal culadora simples para uso diverso CalendarDialog A semelhan a da calculadora quando solicitado aparece um calend rio GLSLanguage Este elemento permite criar pacotes de l nguas e alter las com a aplica o em funcionamento GLMaterialLibrary Permite alterar a textura dos objectos 3D neste caso aparecem n meros dos IDs escritos nos servomotores do modelo 3D Deste modo encontra se conclu da toda a descri o pormenorizada do modo de funcionamento da aplica o controladora do rob manipulador no seguinte cap tulo descrito o modo de como foi desnvolvido o simulador 3D 32 CAP TULO 4 APLICA O DE CONTROLO E SUPERVIS O Cap tulo 5 Simulador 3D Este cap tulo explica o que foi utilizado em termos visuais para o desenvol vimento da aplica o Educational Manipulator Studio De modo a completar visualmente esta aplica o foi necess rio adicionar a componente gr fica em tr s dimens es 3D Sendo que para isso foi necess rio adicionar a componente GLScene ao programa Lazarus Ap s uma breve descri o do que o GLSce ne encontra se descrito em detalhe os passos que foram tidos em conta para a constru o do simulador 3D 5 1 GLScene O GLScene uma biblioteca baseada em OpenGL 3D Inicialmente este pro duto foi apenas desenvolvido para Delphi sendo que nos dias de
21. ar a programa o destes rob s 53 54 AP NDICE A KIT BIOLOID s o inclu dos modelos 3D destas mesmas montagens no software fornecido Exis te uma vasta comunidade de entidades independentes que partilham livremente aplica es desenvolvidas nos programas fornecidos e em software desenvolvido pelos pr prios utilizadores Figura A 2 Exemplos op es de montagem do kit Bioloid fornecidas pelo fabri cante Tal como se pode comprovar analisando novamente a Figura A 2 todos os rob s possuem embutido um elemento que lhes comum que a consola de pro grama o CM 5 Esta unidade central de processamento armazena o programa pr elaborado pelo utilizador e com recurso a baterias nele contidas torna este m dulo independente permitindo executar o mencionado programa a qualquer altura Esta consola comparada em v rios aspectos a um aut mato industrial Na Figura A 3 pode se ver o modo de como estabelecida a comunica o com a finalidade de programa o do m dulo CM 5 entre o PC e a consola principal Esta consola ent o programada atrav s de um cabo s rie que liga ao computador e um Jack 3 5 na outra extremidade do cabo que liga no m dulo CM 5 3 Download Program Figura A 3 Modo de estabelecer comunica o entre PC e a Consola Principal CM 5 A ROBOTIS fornece aos clientes destes kits duas aplica es de extrema uti lidade essas aplica es s o Motion Editor e Behavior Control Pr
22. atically The software provided by ROBOTIS the manufacturer of the kit Bioloid was only partly used to make small presets such as setting the identifiers of the servomotors The control platform also includes several additional options that allow the user to increase the interaction with the manipulator such as the user s ease in monitoring and controlling the robot manipulator In particular the inclusion of a 3D simulator can emulate a type of off line programming of the robot The developed application including the manipulator robot has been suc cessfully tested in a classroom environment and presented in several events including the Feira de Educa o Forma o Juventude e Emprego Qualific held in April in EXPONOR Porto and Noite Europeia dos Investigadores on the theme Rob tica Descodificada Decrypted Robotics held at the Centro Ci ncia Viva of Bragan a Keywords Manipulator robot Educational plataform Bioloid Compre hensive Kit 3D simulator IV Conte do 1 Introdu o 1 1 1 Contextualiza o aooo 1 1 2 Objectivos ooa ee 1 1 3 Estrutura do documento lt lt lt lt lt lt lt lt 4 4 0 220040 2 2 Manipulador did tico baseado em Bioloid 3 2 1 Rob s manipuladores industriais 3 2 2 Arquitetura da aplica o robotizada did tica 5 3 Constru o f sica do manipulador 7 4 Aplica o de controlo e supervis o 17 4 1 Software Robotis Dynamixe
23. b na base De modo a iniciar a propriamente dita assemblagem do rob manipulador inicia se ent o pela estrutura gue o fixa a base Na Figura 3 8 pode se ver duas sugest es de fixa o Em ambos os casos de ter em conta que as pe as utilizadas t m uma altura consider vel 4cm o facto de se usar este acentuado desn vel em vez de se fixar directamente base tem a ver com o necessidade de que deste modo o rob manipulador possua uma rea de trabalho mais pr tica de acordo 12 CAP TULO 3 CONSTRU O F SICA DO MANIPULADOR com as dimens es do mesmo Embora se assim for pretendido essa altura entre a base e o manipulador fique descri o do utilizador e portanto pode at ser suprimida Figura 3 8 a Adaptador CM5 utilizado como suporte entre a base e rob b Mesmo conceito que em a mas com pe a fabricada em alum nio maci o Seguidamente encontra se exemplificado o modo de montagem de um Dy namixel servomotor 2 com a respectiva pe a de estrutura F2 ver Figura 3 9 Salienta se novamente a import ncia de manter o eixo do servomotor sempre alinhado e a utiliza o do m ximo de parafusos poss vel de modo a manter a montagem o mais s lida poss vel Figura 3 9 Exemplo de montagem de um servomotor AX 12 com a respectiva pe a de estrutura F12 Nas Figuras 3 10 3 11 e 3 13 encontra se pormenorizado o modo de como todos os elementos da montagem se encontram dispostos para formar o rob manipul
24. ca o sugerido que in terligue as aplica es anteriores desenvolvidas em Matlab com esta que foi desenvolvida neste projeto 4 2 4 Barra de menus Ainda neste cap tulo de desenvolvimento da aplica o de controlo e supervis o pode se ver na Figura 4 14 que tamb m a barra de menus sofreu modifica es Na op o File desta barra poss vel guardar e abrir os programas relativos 4 2 DESENVOLVIMENTO DA APLICA O 29 ao modo de programa o ponto a ponto descrito no cap tulo 4 2 3 1 encontra se tamb m dispon vel a op o Exit que tal como o X no canto superior direito da aplica o em caso de ser seleccionado a aplica o e todas as suas janelas associadas s o encerradas saindo da aplica o A barra de menus cont m a op o Options Embora nesta vers o da apli ca o ainda n o se encontre funcional j existe o espa o reservado para pacotes de l nguas nomeadamente em Ingl s Portugu s e Espanhol Contudo a l n gua base o Ingl s e esta caracter stica n o pode infelizmente ser alterada no Educational Manipulator Studio V1 0 sendo portanto uma sugest o de futuro trabalho a ser desenvolvido Em Options disp e se ainda de uma calculadora e de um calend rio Destaca se que estes elementos n o foram desenvolvidos ao longo deste trabalho mas sim adicionados sendo o seu aspecto de acordo com o Windows instalado no computador O ltimo elemento que const
25. cational Manipulator Studio que se encontra exibido na Figura 4 12 Numa fase inicial da programa o necess rio adicionar as posi es que se pretendem que o rob execute Mas antes de o fazer o utilizador deve ter em aten o os valores das velocidades que vai requerer bem como a posi o da garra Uma vez que as velocidades dos movimentos e a posi o da garra se encontrem calibradas nos valores eleitos pelo utilizador necess rio colocar o rob manipulador na posi o que se intenciona gravar Para isso e com o bot o Torque em OFF poss vel regular essa mesma posi o do rob manualmente alterando a posi o dos Dynamizels No caso de se desejar manobrar o rob manipulador com o bin rio ativo bot o Torque em ON basta ir ao separador Manual Operation e alterar as posi es das barras deslizantes para os valores requeridos De modo a gravar cada posi o do rob manipulador basta clicar no bot o Add Point Cada vez que este mesmo bot o premido incrementado um ponto representado por Pi em que i varia entre 0 at oo te ricamente na Combo Box caixa de combina es que se encontra do lado esquerdo do bot o Reset Record portanto nesta mesma caixa onde se pode ter acesso a todos os pontos gravados De modo a construir um programa resta ent o ao utilizador adicionar quan tos pontos forem do seu interesse Para gravar essas posi es necess rio aceder a File seguido de Save ou Save as e indicar
26. contidas neste cap tulo s o relativas apar n cia da aplica o que o utilizador final tem acesso Contudo est o ocultos alguns elementos cruciais para o funcionamento desta aplica o tal como podemos ver na Figura 4 17 que relativa janela principal da aplica o em fase de edi o OA ee Dosah EM IniPropStoragelfierhul rSaveLTirrGL SimCalcuCalendarDialGLMaterialLib 1 IniPropStorage 2 PopupNotifier 3 MainMenu 4e7 Timer OpenDialog 6 SaveDialog 8 GLScene 9 GLSimpleN avigation 10 CalculatorDialog 11 CalendarDialog 12 GLSLanguage 13 GLMaterialLibrary Figura 4 17 Elementos Lazarus e GLScene ocultos e sua legenda Seguidamente adiciona se a este capitulo uma breve descricao da funciona lidade de estes elementos 1 IniPropStorage Este elemento encontra se tamb m presente na janela das configura es avan adas Advanced a fun o desempenhada por este 4 2 10 11 12 13 DESENVOLVIMENTO DA APLICA O 31 componente a de guardar as ltimas altera es efectuados pelo utilizador antes de fechar a aplica o Para configurar este elemento necess rio ace der ao Object Inpector do Lazarus e adicionar os dados que se pretendem guardar de uma sess o para a outra em SessionProperties PopupNotifier Este componente permite criar a caixa de texto que para este caso foi utilizada para fornecer ao utilizador
27. correr o risco de danificar qualquer equipamento Para a constru o deste simulador foi necess rio acrescentar uma componente gr fica ao programa de desenvolvimento da aplica o Lazarus Essa compo nente denomina se GLScene que permite desenvolver ambientes tridimensionais de forma relativamente r pida A explica o pormenorizada deste componente encontra se descrita no cap tulo 5 Cap tulo 3 Constru o f sica do manipulador Este cap tulo descreve o modo de constru o do manipulador em termos de hardware Para o efeito descrita a sequ ncia de constru o os materiais utili zados e a sua configura o conex o apresentada uma breve descri o desses mesmos materiais e ainda descrito o modo de como todas essas pe as devem ser interligadas de modo a que o produto final manipulador Bioloid coincida com a montagem j testada de real ar a import ncia de conetar devidamente todos os elementos f sicos requeridos neste projeto de acordo com as instru es referidas neste documento Caso tal n o seja verificado altamente prov vel que o software Educational Manipulator Studio V1 0 que foi desenvolvido espe cificamente para esta aplica o n o funcione conforme o aceit vel Ainda assim existem alguns componentes que n o v m inclu dos no Bioloid Comprehensive Kit nomeadamente a estrutura plana que servir de base ao manipulador o que permite alguma flexibilidade no mater
28. crito todo o desenvolvimento efetuado de mo do a ser obtido o produto final pretendido parte deste desenvolvimento ser real ado a adi o expandida de op es avan adas Este t pico confere ao utili zador costumizar ao seu agrado o modo de controlo do seu rob manipulador o que permite uma maior versatilidade e flexibilidade ao programa em si Deste modo encontram se apresentadas e exemplificadas essas mesmas op es para uma melhor compreens o das mesmas Uma vez explicado o significado do conte do do programa encontra se tam b m explicado o seu modo de funcionamento que consiste em dois modos de programa o separados Um desses modos a b sica programa o ponto a pon to por aprendizagem e o outro uma aproxima o programa o em RAPID Descrito como aproxima o pois considera se que este tipo de programa o aqui utilizada ainda n o se encontra completa se bem que os seus conceitos b sicos j se encontram presentes Completar devidamente este modo de programa o caber como sugest o a ser desenvolvido futuramente 4 2 1 Menu de configura o No separador Configuration ver Figura 4 5 encontram se duas caixas separado ras de grupos Na caixa da esquerda poss vel alterar os n meros identificativos correspondentes a cada servomotor ou seja necess rio anunciar qual o ID correspondente a cada servomotor Dynamizel J na caixa da direita encontram se as configura es referente
29. ctos lt lt lt lt lt lt lt lt lt lt a lt 4 4 4 lt 4 4 36 GLScene Editor finalizado lt lt lt lt lt lt lt lt 4 4 G 37 a Modelo 3D com sombra b Modelo 3D com sombra em stencil c Modelo 3D sem sombra lt lt 37 Uso da grelha para refer ncia com um passo de 2cm para x e para y 38 Exemplo de uma visualiza o do modelo 3D em ilus o de 3D de profundidade com auxilio a culos apropriados 39 Aspecto final do modelo tridimensional do rob em fase de edi o 39 Simula o tridimensional exemplo Potes de Mel 42 Esquema das trajet rias programadas exemplo Potes de Mel 42 Ficheiro texto de pontos guardados exemplo Potes de Mel 43 Ficheiro texto com instru es do c digo principal em RAPID 43 Exemplo de traject ria lt lt lt lt lt lt lt lt 4 lt 4 4 ee 43 Resposta do sistema a Amortecimento cr tico b Superamor tecido X posi o t tempo lt lt lt lt lt lt lt 4 lt lt 4 lt 4 2008 44 Bioloid Comprehensive Kit lt 2 53 Exemplos op es de montagem do kit Bioloid fornecidas pelo fabricante lt lt lt lt lt lt 4 ee 54 Modo de estabelecer comunica o entre PC e a Consola Principal CM 5 llcclll e 54 Motion Editor esquerda Behavior Control Programmer direita oaoa 55 Bioloid Premium Kit 22 55 Ambiente Lazarus de uma nova aplica o 60
30. dor 3D Intera o Interface gr fica Utilizador Figura 2 4 Esquem tica da arquitetura do sistema O bloco denominado de Manipulador envolve toda a componente de hard ware composta pelo pr prio rob manipulador constru do principalmente com 6 CAP TULO 2 MANIPULADOR DID TICO BASEADO EM BIOLOID componentes do Bioloid Comprehensive Kit passando pelos componentes de comunica o com o seu controlador O manipulador fornece constantemente in forma o relativa aos seus sensores transmitindo dados sobre posi o velocida de e temperatura Esta informa o processada pelo elemento USB2Dynamizel que por sua vez comunica com o controlador de modo a estabelecer a troca de informa o entre o rob e a aplica o O grupo Aplica o de controlo e supervis o engloba os blocos Controlador e Interface gr fica em que neste segundo bloco representa os menus da apli ca o desenvolvida para o utilizador nesta Interface gr fica que o utilizador ir interagir de modo a controlar o rob manipulador Este controlo pode ser feito acionando directamente os servomotores Dynamizel pela simples altera o na posi o das barras deslizantes que controlam o ngulo de cada atuador Outro modo de interagir com o manipulador atrav s da elabora o de um programa por aprendizagem Ou seja criar um ficheiro que guarde os valores das posi es de todos os Dynamizels e simultaneamente que lhe atribua uma ve
31. dos conforme o pretendido na janela intutulada de Form Form1 para o caso da Figura B 1 Uma vez aqui colocados estes elementos podem ser dispos tos livremente e tamb m poss vel aceder ao seu conte do e funcionalidades Para isso clica se no elemento que se pretende editar e aparecem todas as suas op es na janela Object Inspector exactamente nesta janela que se atribui grande parte das caracter sticas dos objectos De modo a complementar o bom funcionamento da aplica o temos a janela Source Editor que produz automa ticamente algumas partes de c digo em Pascal quando explorado o Object Inspector As linhas de c digo que podem ser geradas automaticamente s o apenas a constru o da estrutura de procedimentos cabe portanto ao utiliza dor preencher esses procedimentos com os comandos desejados Por fim existe a janela Messages que tal como o pr prio nome indica apenas exibe mensagens Estas mensagens t m especial import ncia a quando da compila o das apli ca es isto porque s o identificados poss veis erros e sua a sua causa isto torna mais f cil o acesso a esses erros e seguidamente facilita a sua correc o File Edit Search View Project Run Package Tools Environment Window Help 2 Ee v E B EE eS Standard Additional Common Controls Dialogs Misc Data Controls Data Access System SynEdit LazControls Chart IPro RTTI GLScene GL ata at BBPbNaAsss k Fea mwema
32. e efeito lentes azul e vermelho em tr s dimens es com o objetivo de o utilizador adquirir uma no o melhor de pro fundidade Na Figura 5 7 encontra se um exemplo de uma posi o do modelo do rob com o filtro 3D activo Na realidade este 3D n o considerado um 3D verdadeiro mas sim uma simula o ou uma ilus o do mesmo O facto de a janela do ambiente gr fico ser de reduzidas dimens es e de o pr prio cen rio conter relativamente poucos elementos por vezes torna dif cil a sua compreen s o total de profundidade Para desenvolver este filtro foi necess rio adicionar o elemento GLPosEffect no GLScene Editor posteriormente foi programado o efeito pretendido para este filtro de imagem 5 2 CONSTRU O DO MODELO 3D 39 0 Figura 5 7 Exemplo de uma visualiza o do modelo 3D em ilus o de 3D de profundidade com auxilio a culos apropriados Quanto ao elemento GLEarthSkyDome deve ser associado directamente raiz do cen rio de modo a que o utilizador s o veja como tela de fundo do cen rio tridimensional Para o componente GLShadowPlane este tem de ser associado ao objecto que designa como base pois a onde a sombra vai ser vis vel Neste projeto o aspecto final do editor de cen rios o que se encontra exibido na Figura 5 4 Nesta figura podemos comprovar a complexidade gerada pela in terliga o dos objectos Quanto ao aspecto produzido na janela GLScene Viewer dado pela Figura 5 8 Embora ne
33. e v rias pe as estruturais contidas no kit Bioloid permitindo criar um manipulador com quatro graus de liberdade e uma garra O sistema de controlo permite operar o manipulador de forma manual movendo a posi o da garra atrav s da atua o eixo a eixo do manipulador e elaborar programas de movimento atrav s da programa o de trajet rias a efetuar que posteriormente podem ser executados automaticamente O software disponi bilizado pela ROBOTIS o fabricante do kit Bioloid foi apenas parcialmente utilizado para efetuar pequenos pr ajustes como sejam configura o dos identi ficadores dos servomotores A plataforma de controlo inclui ainda v rias op es adicionais que permitem aumentar a intera o do utilizador com o manipulador como seja a facilidade do utilizador em monitorizar e controlar o rob manip ulador Em particular a inclus o do simulador 3D permite emular um tipo de programa o off line do rob A aplica o desenvolvida incluindo o rob manipulador tem sido testada com sucesso em ambiente de aula e apresentada em diversos eventos nomeada mente na Feira de Educa o Forma o Juventude e Emprego Qualific que decorreu em Abril na EXPONOR Porto e na Noite Europeia dos Investigado res sobre a tem tica Rob tica Descodificada que decorreu no Centro Ci ncia Viva de Bragan a Palavras Chave Rob manipulador Plataforma educacional Bioloid Com prehensive Kit simulador 3D il il
34. ecess rio tomar conhecimento quais s o as posi es e refer ncias desse mesmo ngulo Para tal deve se observar cuidadosamente a Figura 3 4 Daqui podemos verificar onde se localiza a refer ncia do ngulo posi o zero graus e qual a rea que o 10 CAP TULO 3 CONSTRU O F SICA DO MANIPULADOR Dynamizel n o atinge assinalada a vermelho 150 Location value 512 JLA 300300 860 Each value 1023 Forbidden area Location value 0 Figura 3 4 ngulos de funcionamento do servomotor AX 12 O primeiro factor a ter em conta antes de se iniciar a montagem do rob ma nipulador a posi o em que se encontram os eixos dos servomotores Dynamizel AX 12 em rela o ao resto do corpo do servomotor De modo a que a posi o dos Dynamizels coincidam com a posi o do modelo 3D contido no Educational Manipulator Studio necess rio alinhar a refer ncia que se encontra assinalada no eixo dos Dynamizels com a refer ncia existente no corpo do servomotor tal com se encontra exemplificado na Figura 3 5 Figura 3 5 Alinhamento entre a parte m vel e a estrutura do servomotor A X 12 Este alinhamento certifica que a posi o dos eixos dos Dynamizxels se encon tra sempre a 150 ou seja a meio do seu ngulo de funcionamento Se todos os Dynamizels se encontrarem na posi o de 1509 o rob manipulador deve exibir um aspecto semelhante ao da Figura 3 6 11 Figura 3 6 Bra o manipulador co
35. ediatamente transferido para a caixa Move ment Instruction assim como o valor da velocidade que se encontra selecionado Uma vez que a instru o de movimento se encontre devidamente constru da o utilizador tem acesso ao bot o Send to Main enviar para principal Este bo t o permite inserir as instru es de movimento devidamente constru das na caixa n o edit vel Main Program programa principal ent o nesta caixa que a programa o toma aspectos de instru es reais em RAPID Por fim para guardar e abrir a programa o dita principal basta aceder a File ficheiro e seleccionar a instru o que se pretende Por fim seria poss vel correr um programa contido em Main Program bastan do para isso carregar em Test muito semelhan a do bot o Play do separador Programing Outras parecen as tamb m extra das do modo de programa o por aprendizagem s o os bot es STOP e Go to e ainda a op o Play Loop que corres pondem aos anteriores STOP Goto Movement Point e Loop respectivamente A fun o destes elementos portanto a j descrita anteriormente no Cap tulo 4 2 3 1 Algumas funcionalidades desta janela n o se encontram ainda totalmente a funcionar isto porque este trabalho serve de complemento do trabalho ante riormente realizado Ou seja esta plataforma que foi desenvolvida encontra se preparada para suportar o trabalho paralelo que j foi desenvolvido A quem trabalhar futuramente no desenvolvimento desta apli
36. ela inicia se por acla rar a funcionalidade desempenhada pela caixa de grupo designada por Servos Angle ngulo dos servomotores Na Figura 4 8 podemos ver a referida caixa de grupo e a sua a o desempenhada na aplica o Esta configura o permite ent o limitar individualmente os ngulos m ximo e m nimo dos servomotores sendo para isso necess rio alterar os valores contidos nas caixas de texto edit veis correspondentes Cada altera o efetuada surge efeito gr fico imediato que se encontra vis vel nas barras deslizantes no separador Manual Operation da aplica o Estas barras exibem a azul os ngulos que s o permitidos de alca n ar tal como se encontra exemplificado na Figura 4 8 se observar atentamente a imagem ver que na tabela que mostra a posi o actual dos ngulos cont m apenas valores contidos entre os limites configurados nas op es avan adas Esta configura o permite em certos casos evitar colis es com o ambiente que rodeia o manipulador ou com ele pr prio tration Programing Configuration Servos Angle Servo 4 n 300 Min Max S4 0 F 20 F j Servo 3 33 E Min Max 40 300 2 a Servo 2 Min Max jp s1 J 0 10 Servol Max 7 Grab ON Add Point Figura 4 8 Limitar os ngulos m ximo e m nimo dos Dynamizels Para a elabora o deste trabalho foi pedido que tivesse em conta a tem peratura dos Dynamizels de modo a que n o fo
37. elativa linha em que se encontra a instru o o tipo de mo vimento que deve ser efetuado a posi o objectivo e a velocidade da trajet ria Ap s a exposi o do funcionamento da aplica o ao p blico ficou claro que a componente do simulador 3D despertou elevado interesse sendo considerada um sucesso e uma bom tema para ser amplamente aprofundado 47 48 CAP TULO 7 CONCLUS ES Da experi ncia adquirida ao longo da realiza o deste trabalho foram identifi cados alguns t picos que podem ser desenvolvidos no futuro de forma a melhorar as funcionalidades da aplica o Nomeadamente poss vel referir as seguintes e Implementar algoritmos para o sistema de controlo que permitam o con trolo de traject rias e respetivas velocidades e Adicionar m dulos de sensores ou utilizar Dynamixels que j os possuam embutidos para um melhor controlo do espa o envolvente do rob mani pulador e Adicionar no ambiente do modelo 3D objectos interactivos e que respeitem as leis da f sica e as propriedades dos materiais deve ser ainda poss vel a interac o do rob atrav s do modelo 3D e Desenvolver mais aprofundadamente o menu Help que permite a ajuda ao utilizador e acrescentar pacotes de l nguas Por fim um ponto crucial no desenvolvimento futuro desta aplica o diz respeito necessidade de solidificar a robustez do manipulador deve se por isso projectar e construir uma nova estrutura ou apenas constru
38. elo esquem tico do rob manipulador 7 3 2 Pe as necess rias para a constru o do rob manipulador com as refer ncias do fabricante lt lt lt lt lt 4 444 8 3 3 a Servomotor Dynamixel AX 12 b Esquem tico do AX 12 com legenda oaa 9 3 4 Angulos de funcionamento do servomotor AX 12 10 3 5 Alinhamento entre a parte m vel e a estrutura do servomotor AX 12 2 ee 10 3 6 Braco manipulador com os servos alinhados 11 3 7 Pe as opcionais para fixar o rob na base 11 3 8 a Adaptador CM5 utilizado como suporte entre a base e rob b Mesmo conceito que em a mas com pe a fabricada em alu m nio MACICO ccccccclc 12 3 9 Exemplo de montagem de um servomotor AX 12 com a respec tiva pe a de estrutura F12 lt lt lt lt lt 4 12 3 10 Montagem da zona junto base lt lt lt lt lt 13 3 11 Montagem da zona m dia do manipulador 13 3 12 Garra com esponjas nas extremidades 13 3 13 Montagem da zona da garra lt lt 4 14 3 14 Cabos de alimenta o e comunica o entre os servomotores e seu controlador o oo 14 3 15 Adaptador USB2Dynamizel 2 n aoao 15 3 16 Power tranformer SMSP fonte de alimenta o para os Dyna migels 12V 2 a 15 3 17 Adaptador SMSP2Dynamizel 2 es 15 3 18 Esquema das liga es entre todos os componentes necess rios 16 3 19 Montagem final lt
39. frisar que o modo de como as traject rias s o executadas n o influenciado pela escolha destes movimentos isto porque infelizmente estas instru es ainda n o se encontram devidamente programadas assim sendo todos os movimentos ser o do tipo J o que significa que s o traject rias ponto a ponto Fica ent o para trabalho futuro desenvolver um algoritmo que corresponda a cada tipo de movimento Uma vez selecionado o tipo de movimento este ser exibido na caixa corres pondente a Movement Instruction direita da sinal tica que o representa ou seja Mou Seguidamente requerido adicionar um ponto que corresponde a uma posi o do rob De modo a serem adquiridos os pontos basta carregar um programa em que j tenham sido previamente gravados ou ent o de um modo semelhante programa o por aprendizagem as posi es podem ser adicionadas em Get Position Premindo este bot o um novo ponto adicionado lista de pontos contida em Points pontos posi es com a informa o relativa s posi es dos Dynamizels 1 2 e 3 sendo que para o Dynamizel 4 vai possuir o valor exibido em Grab Angle ngulo da garra Por sua vez as posi es dos servomotores que integram a pr pria garra ficam dependentes da selec o de Grab ON que s o os ngulos inseridos nas configura es Por fim um valor de velocidade adicionado Sendo que quando se seleciona o ponto que se pretende utilizar na instru o de movimento este im
40. hoje pode ser executado em C Builder Kylix Delphi e Lazarus Ele fornece componentes visuais e objectos permitindo a descri o e renderiza o de cenas 3D de uma forma f cil e sem complica es mas de uma forma poderosa 4 O GLScene n o apenas uma biblioteca OpenGL ou um mero utilit rio ele cresceu e tornou se num conjunto de classes fundadoras focado num motor gen rico 3D com Rapid Application Development RAD Aplica o de Desen volvimento R pido Esta componente permite rapidamente criar e renderizar cenas 3D sem ter que aprender as complexidades de OpenGL se o seu utiliza dor sabe como criar um TForm ent o facilmente domina as opera es b sicas de GLScene Esta biblioteca vem com uma larga gama de cole es de demons tra es mostrando a facilidade do seu uso e demonstrando tamb m que RAD n o foi feito custa de unidades de processamento de dados e gr ficos muito potentes As demonstra es desta aplica o encontram se em formato para Delphi sendo que para os podermos abrir em Lazarus estes projetos aplica es necessi tam de ser convertidos Para isso necess rio aceder s ferramentas do Lazarus e executar a convers o de projetos Delphi para projetos Lazarus Tools gt Con vert Delphi project to Lazarus project Depois de se escolher qual o exemplo a ser convertido necess rio clicar em come ar a convers o Start conveston Seguidamente exibida uma janela com as unidades em falta par
41. i utilizada novamente o Ingl s esta escolha remete ao facto de esta l ngua ser considerada uma l ngua universal e portanto de f cil compreens o na rea das engenharias Embora este manual do utilizador n o se encontre totalmente com pleto nesta vers o j poss vel obter um guia para a inicia o utiliza o desta aplica o Fica ent o como sugest o de trabalho futuro um desenvolvimento das ajudas prestadas por esta op o 30 CAP TULO 4 APLICA O DE CONTROLO E SUPERVIS O 4 Help How to Start 4 How to Start LCheck if the servos ID match item 2 Make sure the srevos minimum and maximum angles Change Servos ID are OK with you aplication Litters 3 Calibrate the base height on Advanced Configurations 4 Menus 4 Always adjust the speed to the right one 4 Manual Operation Itemil 4 programing O b temi a Configuration Item 13 43D E Figura 4 15 Janela Help De modo a concluir a descri o da barra de menus ainda na op o Help pode se encontrar a subop o About Caso esta op o seja acedida aparece uma mensagem no canto superior do ecr com informa o relativa vers o da apli ca o institui o patrocinadora e os autores desta aplica o ver Figura 4 16 Educational Manipulator Studio 1 0 x About the author IPB ESTIG Jos Luis Lima jilimaipb pt Lu s Sousa a16355 alunos ipb pt Figura 4 16 Mensagem About Todas as descri es anteriores
42. i proposto atrav s da colabora o entre a empresa Fundaci n CAR TIF a Universidade de Valladolid e o Instituto Polit cnico de Bragan a Tendo em conta os trabalhos anteriormente desenvolvidos nesta rea pelas referidas institui es o objectivo deste trabalho foi o de construir um rob manipulador com pelo menos 3 graus de liberdade e um sistema de controlo aberto com finalidade did tica flex vel e que estivesse o mais pr ximo poss vel dos sistemas de controlo industriais Deste modo foi utilizada apenas uma estrutura de um rob manipulador que foi utilizada em outros trabalhos semenhantes O desenvolvimento deste projecto decorreu numa primeira fase no Instituto Polit cnico de Bragan a e numa segunda fase em Valladolid Espanha no m bito de um est gio na empresa Fundaci n CARTIF com o acompanhamento de docentes da Escuela T cnica Superior de Ingenieros Industriales pertencente Universidade de Valladolid 2 CAP TULO 1 INTRODU O O uso deste manipulador permitir melhorar significativamente a qualidade das aulas pr ticas de disciplinas da rea de rob tica isto porque oferece aos alu nos uma maior liberdade de explora o das diversas funcionalidades e permite aprender com eventuais erros sem recearem de danificar um equipamento dis pendioso e eventualmente perigoso Al m disso o desenvolvimento de software para modelar e controlar o rob a partir de um computador permite o desenvol vimento de est
43. ial que pode vir a ser usado Des te modo ser o apresentadas algumas solu es pr ticas para a dissolu o deste problema Na realiza o deste projeto iniciou se por montar a estrutura do rob mani pulador De forma esquematizada pode se ver na Figura 3 1 o modelo do rob que foi constru do neste projeto Os rob s manipuladores industriais tipicamen te s o do tipo TRR TRR mas neste projeto pode se caracterizar o sistema de juntas do manipulador em causa como sendo do tipo TRRT Figura 3 1 Modelo esquem tico do rob manipulador 8 CAP TULO 3 CONSTRU O F SICA DO MANIPULADOR Para a elabora o deste projeto foram utilizadas v rias pe as que fazem parte do Bioloid Comprehensive Kit sendo as pe as em causa exibidas na Figura 3 2 De modo a facilitar a alus o dos materiais em causa nesta mesma figura foram mantidas as refer ncias fornecidas pelo fabricante ROBOTIS As quantidades necess rias de cada pe a encontram se tamb m mencionadas nesta mesma figu ra Assim sendo mantido o modo de apresenta o do material necess rio tal como o fabricante indica permanentemente para a montagem dos seus kits 8 Figura 3 2 Pe as necess rias para a constru o do rob manipulador com as refer ncias do fabricante E de notar que na Figura 3 2 apenas constam as pe as necess rias para montar o rob manipulador nomeadamente os servomotores Dynamixel AX 12 e as pe as de estrutura Contudo necess r
44. ida para um projeto desta natureza 10 LED Connector Figura 3 3 a Servomotor Dynamizel AX 12 b Esguem tico do AX 12 com legenda Na Tabela 3 1 estao listadas as principais caracteristicas t cnicas dos servo motores Dynamizel AX 12 aconselh vel efetuar uma cuidada an lise a estes dados antes de modo a compreender algumas das op es tomadas neste projeto Desta mesma tabela tem especial interesse alguns destes par metros que s o resolu o ngulo de funcionamento voltagem temperatura de funcionamento tipo de sinal de controlo e a numera o de identifica o Embora o seu peso e bin rio n o tenham sido mantidos muito em grande destaque de notar que estes par metros s o deveras importantes para o c lculo de cargas que o rob pode manusear Tabela 3 1 Principais caracter sticas do servomotor Dynamizel AX 12 forne cida pelo fabricante ROBOTIS Final Max ar Torque eb OE ooo 7V712V Recomended voltage 9 6V Half duplex Asynchronous Serial Communication Protocol Type 8bit Istop No Parity TTL Level Multi Drop daisy chain type Link eo Connector 254 ID 07253 ET Speed 7343bps 1 Mbps Feedback Position Temperature Load Input Voltage etc Engincering Plastic Um dado muito importante retirado da Tabela 3 1 do qual se deve ter conti nuamente consci ncia o ngulo de funcionamento destes servomotores E como n o basta apenas saber que este mesmo de 300 tamb m n
45. igh 14 0 B Low 6 0 Alarm LED Shutdown Instruction Error 1 Overload Error Checksum Error Range Error Overheating Error Angle Limit Error Input Voltage Error E Instruction Error Overload Error Checksum Error Range Error Overheating Error Angle Limit Error F Input Voltage Error Apply Set Default Figura 4 3 Modo de configura es Configure do Dynamixel Manager Por fim no separador Network ver Figura 4 4 permitido configurar a rede de trabalho Se bem que neste projeto apenas se configurou os n meros identificativos dos Dynamizels Esta opera o de altera o dos IDs totalmente aconselhada por quest es pr ticas de modo a simplificar a enumera o atribu da aos Dynamizels No caso deste trabalho os Dynamizels foram numerados de 1 a 6 contando da base em direc o garra Essa ordem num rica identificativa pode ser verificada no cap tulo 3 3 Connection C Advance A Help H 2 Dynamixel s Found Operation Configure Network i Baudrate 1 o ID 15 a ID 17 ID 15 occupied Baud Rate Retum Level Return Delay Time 1 1000000bps 2 All return 250 500usec Figura 4 4 Modo de rede de trabalho Network do Dynamixel Manager 20 CAP TULO 4 APLICA O DE CONTROLO E SUPERVIS O 4 2 Desenvolvimento da aplica o Neste sub cap tulo encontra se des
46. introduzir nesta op o a dist ncia em cent metros entre o primeiro servomotor e a pe a que serve de base no caso da Figura 4 10 a altura introduzida foi de 4cm p Figura 4 10 Alterac o da altura da base para 4cm tamb m nesta mesma janela o nico local onde poss vel alterar a ve locidade de funcionamento da garra em Grab Speed rpm A programa o do rob utiliza a velocidade para a garra que estiver indicada nesta caixa de texto sendo a velocidade m xima de 114rpm Encontra se ainda dispon vel a op o Camera look at c mara olha para em que simplesmente poss vel escolher qual a pe a do modelo 3D que se pretende que a c mara se direcione ou seja o servomotor para o qual pretendido que 24 CAP TULO 4 APLICA O DE CONTROLO E SUPERVIS O se encontre sempre numa posi o central da imagem produzida pelo modelo do rob A ltima op o dispon vel Show axes ver eixos em que caso esta seja seleccionada pode se ver um conjunto de eixos ortogonais XYZ A cor destes eixos Vermelha Verde e Azul correspondentemente a X YZ Este eixo encontra se numa posi o que considerada a origem dos eixos do rob que junto base e debaixo do servomotor 1 Por fim resta referir a funcionalidade do bot o Set Default definir padr o que caso o utilizador clique nele todas as configura es avan adas s o restaura das para valores pr configurados ou seja os valores que se
47. io adicionar lista de materiais os elementos que as suportam e interligam ou seja os parafusos e f meas quantidade e dimens es destes pequenos elementos pode variar se bem que altamente aconselh vel que seja usado o maior n mero poss vel de parafusos e respectivas f meas isto porque uma mais valia possuir uma estrutura o mais s lida poss vel Enquanto que as estruturas de pl stico n o possuem grande descri o possi vel j aos Dynamizels deve ser dada especial aten o quanto s suas caracter s ticas t cnicas de modo a melhor se compreender o funcionamento e limita es do rob manipulador Ap s uma breve observa o da Figura 3 3 podemos constatar que a apa r ncia destes servomotores bastante simples e indutiva ao seu f cil manuseio Possuem ent o um LED vermelho indicador de estado que pode ser facilmen te programado para ser acionado conforme o pretendido Possui duas entradas para estabelecer a sua alimenta o e respectiva comunica o com outros ele mentos controladores ou actuadores Nestes servomotores ainda indicado um n mero identificativo para cada Dynamizel Este n mero deve ser nico para cada servomotor por estrutura ou seja num rob manipulador n o podem exis tir dois Dynamizels com o mesmo ID Caso isto aconte a os servomotores com numera o repetida ir o replicar da mesma maneira os comandos fornecidos pe lo respectivo controlador que uma situa o n o pretend
48. ionEditorLCL pas D Source DesignTime GLSceneEditLCL pas Source DesignTime GLSceneFormDesign pas Source DesignTime GLSceneLCLlrs Source DesignTime GLSceneObjectsLCL Irs Source DesignTime GLSceneRegisterLCL pas Source DesignTime nonGLSceneLCL lrs ASourceiDesignTimetRegisterXCollection pas ASourceXGLObjectManager pas hSourcetPropertyEditorsAFLibMaterialPickerLCL pas NSourcetPropertyEditorsAFMaterialEditorFormLCL pas Source PropertyEditors FRColorEditorLCL pas Source PropertyEditors FRFaceEditorLCL pas BF CD OD CD OD OD O E 1 8 4 File Properties CAlazarus components glscene Lazarus glscene_designtime pk Compiling codegraph pas Compile package gt Compile if Formi TForml Properties Action ActiveControl Align AllowDropFiles AlphaBlend AlphaBlendValue Anchors AutoScroll AutoSize BiDiMode Borderlcons BorderStyle l BorderWidth Caption Color Constraints ChildSizing False False 255 akTop akLeft False False bdLeftToRight biSystemMenu bit bsSizeable E Formi TControlChildSizir C tDefauit TSizeConstraints E q S Save Compile Install Add Remove Options Compiler Options Help More s G Files Install package in the IDE Source E omectroriEditorLCL pas Source DesignTime GLSceneEditLCL pas Source DesignTime GLSceneFormDesign pas Source DesignTime GL
49. ionamento e rota o cont nua completa mas tamb m fornece acesso ao feedback sensorial como velocidade posi o bin rio temperatura corrente e tens o de cada servo Os kits Bioloid s o concebidos de forma a que permitam ao utilizador construir v rios tipos de rob s Al m da qualidade do hardware o Kit Bioloid vem com algum software baseado em GUI bastante poderoso O software gratuito por isso no caso de o utilizador usar este kit para fins educacionais para pesquisa ou mera re crea o pessoal poss vel descarregar os programas e instalar estes mesmos em todos computadores que necessite Os kits de rob s Bioloid s o perfeitos para a Educa o passatempos pesquisa e competi es Na Figura A 1 encontra se o Bioloid Comprehensiv Kit que foi utilizado para a execu o deste projeto Este kit comercializado por v rios fornecedores de equipamento rob tico electr nico l dico ou educacional podendo ser adquirido directamente nos seus postos de venda ou efectuando uma encomenda on line nos s tios dos estabelecimentos de com rcio ou no pr prio s tio oficial da ROBOTIS Do it yourself Educational Robot Kit VM ENE NE E RE ER Ri Figura A 1 Bioloid Comprehensive Kit O fornecedor deste kit ROBOTIS providencia as instru es para a monta gem de v rios tipos de rob s diferentes os mais populares exemplos desses rob s s o os ilustrados na Figura A 2 De modo a facilit
50. ir pe as de apoio estrutura existente Esta tarefa pode ser simplificada com recurso s modernas e acess veis impressoras 3D Bibhografia 1 Anildio Barbosa Desenvolvimento de rob manipulador did ctico baseado em componentes bioloid Master s thesis IPB 2010 2 Antonio Barrientos Fundamentos de Rob tica McGraw Hill 1997 3 CrustCrawler Bioloid comprehensive kit October 2012 2011 URL http www crustcrawler com products bioloid index php 4 Eric Grange Glscene open solution for delphi October 2012 2011 URL http glscene sourceforge net wikka HomePage 5 Paulo Leit o Notas de Apoio a Sistemas de Automa o Tecnologias de Sistemas de Automa o Industrial 2010 6 Free Pascal Glscene October 2012 2012 URL http wiki freepascal org GLScene 7 Trossen Robotics Bioloid comprehensive robot kit October 2012 URL http www trossenrobotics com bioloid comprehensive robot kit aspx 8 ROBOTIS Bioloid QuickStart Comprehensive Kit Robot Series 9 ROBOTIS USB2Dynamizel User s Manual 10 ROBOTIS Dynamizel AX 12 2006 11 V tor M F Santos Rob tica Industrial Universidade de Aveiro 2003 49 50 BIBLIOGRAFIA Anexos ol Ap ndice A Kat Bioloid O Bioloid Comprehensive Robot Kit da Robotis um kit de rob tico de caracter educacional baseado em torno de controlo inteligente de servomotores em s rie que n o s s o capazes de alternar entre posic
51. janela se dedique programa o em RAPID tamb m tem inclu do o modo de obten o de pontos de forma id ntica programa o por aprendizagem descrita no Cap tulo 4 2 3 1 O interesse de manter o mesmo modo de se obterem as posi es dos Dynamizels permite um interc mbio de ficheiros que cont m a informa o desses mesmos pontos Ou seja quer os pontos sejam gravados na referida janela ou no resto da aplica o eles podem ser utilizados em ambos os lados sendo que para isso basta guardar e abrir o respectivo ficheiro onde se pretende trabalhar com ele Uma vez que a programa o em RAPID se baseia em instru es de movimen tos existe nesta janela uma caixa de texto edit vel dedicada exclusivamente constru o destas mesmas instru es de comando que se chama Moviment Ins truction Nesta caixa necess rio a inclus o de tr s principais vari veis pela ordem correcta estas vari veis s o movimento ponto e velocidade que se en contram abreviadas por Mov Pt e Vel respectivamente O modo de se construir as instru es de movimento tem obrigatoriamente de se iniciar por escolher um tipo de movimento em Movements movimentos os movimentos que se encon tram dispon veis s o MoveJ MoveL e Movel que correspondem a movimentos do tipo aleat rio linear e circular respectivamente 28 CAP TULO 4 APLICA O DE CONTROLO E SUPERVIS O Ainda antes de prosseguir na constru o da instru o de movimento de
52. l ni Abstract The industrial manipulators are widely used in industry for several domain applications such as welding assembly painting and manipulation The high price associated to these automation systems makes almost forbidden their acquisition by educational entities such as universities or professional schools however they are needed to support the learning activities of robotics topics This document describes the various stages in the development of a control application for a manipulator robot based on educational kits whose main purpose is to create a low cost platform to support the teaching of robotics topics This tool should provide a flexible control system and allow it to be easily improved In the construction of the manipulator robot was selected the Bioloid Com prehensive Kat for being an very versatile kit accessible relatively robust and allows to be programmed in diferent languages widly know The robot manipu lator developed in this work is fitted with six servomotors Dynamizel AX 12 and various structural components contained in the kit Bioloid allowing to create a manipulator with four degrees of freedom and a gripper The control system allows to operate the manipulator in a manually mode by moving the position of the gripper through the performance axis by axis at the manipulator robot and elaborate programs of moviment by programming trajectories of the goal positions which subsequently can run autom
53. lManager 17 4 2 Desenvolvimento da aplica o lt lt 44 lt 20 4 2 1 Menu de configura o lt 20 4 2 2 Modo de opera o manual 24 4 2 3 Modo de programa o lt lt 44 44 4 25 4 2 3 1 Programar por aprendizagem de pontos 26 4 2 3 2 Programar em RAPID 27 4 2 4 Barra de menus aoa a 00002 ee 28 5 Simulador 3D 33 5 1 GLScene ccccclll ee 33 5 2 Constru o do modelo 3D ccccccccll 34 6 Resultados experimentais 41 6 1 Explora o de demonstra o lt lt lt lt lt lt lt lt lt lt lt 41 6 2 Discuss o de resultados lt lt lt lt lt lt 4 lt 4 4 ee 44 7 Conclus es 47 Bibliografia 49 A Kit Bioloid 53 B Ambiente Lazarus 57 B 1 Criar uma nova aplica o lt lt lt lt ee 57 B 2 Descri o do ambiente de trabalho 59 vi C Instala o da componente de software GLScene CONTE DO 61 ndice de figuras 2 1 Exemplos de rob s manipuladores industriais caso comum de bra o manipulador lt lt lt lt 4 000 eee eee 3 2 2 Tipos de juntas ou articula es lt lt lt lt lt lt 44 lt 4 4 2 3 Representa es de estruturas de rob s do tipo a Cartesiano b Cilindr co c Esf rico d Articulado e SCARA Selec tive Compliance Assembly Robot Arm lt lt lt lt lt lt 5 2 4 Esquem tica da arquitetura do sistema 5 3 1 Mod
54. locidade de desloca o para esse mesmo ponto Deste modo permitido ao utilizador exe cutar de um modo autom tico traject rias previamente guardadas O modo de funcionamento desta interface encontra se explicado no cap tulo 4 2 Evidentemente como n o poderia deixar de ser esta Interface gr fica pos sui associada um sistema que a controla em que na arquitetura se encontra denominado de Controlador Este sistema controlador o n cleo de todas as opera es envolvidas neste projeto isto porque ele que processa toda a in forma o proveniente do Manipulador e da Interface gr fica manipulando a de forma a ser transmitida para o seu destino permitindo assim a interliga o de todos os blocos e mantendo o bom funcionamento da aplica o Este Con trolador constru do por linhas de c digo em linguagem Pascal que funciona com base recursiva evoca o de procedimentos Encadeando logicamente o conte do destes procedimentos tornou poss vel criar a aplica o de controlo e supervis o Por fim este esquema inclui o bloco Simulador 3D que tal como o pr prio nome o indica a aplica o fornece ao seu utilizador a hip tese de simular virtualmente o rob manipulador Esta simula o particularmente til para o caso de o utilizador pretender programar previamente o rob manipulador na aus ncia do mesmo Deste modo o utilizador pode testar previamente os pro gramas por ele criados sem
55. lse Effects TGLObjectEffects EndFrame 0 Framelnterpolation afpLinear Hint Interval 100 i LightmapLibrary Messages Material TGLMaterial F Unitlpas y MaterialLibrary gt Unit past o Unitl pas 34 _NormalsOrientation mnoDefault Z UnitLpas 27 Project Acta Figura 5 1 Demonstra o GL Scene meshes actor Uma an lise cuidada destas demonstra es inclu das no pacote GLScene foi de extrema import ncia para o desenvolvimento deste projeto isto porque fornece v rias ideias daquilo que poss vel construir numa aplica o em Lazarus No seguinte cap tulo 5 2 descrito aprofundadamente o modo de trabalhar com a referida componente O guia de instala o passo a passo desta componente no Lazarus encontra se dispon vel no Ap ndice B 5 2 Constru o do modelo 3D Para construir o modelo tridimensional do rob manipulador necess rio iniciar por construir um cen rio Para isso tal como se pode ver na Figura 5 2 fundamental adicionar os elementos chave GLScene e GLScene Viewer Sendo que este segundo elemento funciona como se fosse uma janela atrav s da qual poss vel ver o cen rio Quanto ao componente GLScene tal como j foi descrito anteriormente neste documento o elemento que permite criar e editar o cen rio e os seus elementos nele contidos 5 2 CONSTRU O DO MODELO 3D 35 GLScene GL scene PFX GLScene Utils GLScene
56. lt 2 2 2 000000 2 2 eee ee 16 4 1 Procura de servomotores Dynamitel lt lt lt lt lt aaa a 18 4 2 Modo de controlo de opera es Operation do Dynamizel Manager 18 vil viii 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 4 10 4 11 4 12 4 13 4 14 4 15 4 16 4 17 5 1 5 2 5 3 5 4 9 9 9 6 5 7 5 8 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 Al A 2 A 3 A A A 5 B 1 NDICE DE FIGURAS Modo de configura es Configure do Dynamizel Manager 19 Modo de rede de trabalho Network do Dynamizel Manager 19 Educational Manipulator Studio V1 0 separador Configuration 20 Apar ncia do modelo 3D quando se seleciona a op o Show Servos TD 21 Janela das configura es avan adas lt lt lt 44 22 Limitar os ngulos m ximo e m nimo dos Dynamizels 22 Mensagem de erro exibida quando a temperatura excede o limite MAXIMO ao 23 Altera o da altura da base para 4cm 23 Educational Manipulator Studio V1 0 separador Manual Ope ration ooo a 24 Educational Manipulator Studio V1 0 separador Programing 25 Janela de programa o em RAPID 27 Barra de menus expandida lt lt 22 29 Janela Help lt lt 30 Mensagem About 2 30 Elementos Lazarus e GLScene ocultos e sua legenda 30 Demonstra o GLScene meshes actor lt lt lt lt lt 34 Adicionar uma GLScene e GLScene Viewer 2 35 Como adicionar obje
57. m os servos alinhados De forma a completar as pe as que formam o manipulador necess ria a utiliza o de uma base e de um sistema de fixa o para a mesma Neste projeto utilizou se para a base uma pe a plana em madeira com dimens es aproximadas de 35cm x35cm xlcm A utiliza o deste tipo de material totalmente opcional contudo necess rio ter em aten o que esta pe a necessita de possuir um peso e rea suficiente de modo a que consiga manter o mais est vel poss vel o rob manipulador e que lhe conceda uma rea adequada de trabalho de acordo com as fun es a desempenhar pelo mesmo ainda aconselhado que esta mesma pe a que servir de base seja revestida por um material que impe a os objectos a serem manipulados de se moverem livremente pela mesma Tamb m as pe as que fixam o rob manipulador base ficam um pouco ao crit rio do utilizador conforme se poder verificar poss vel utilizar pe as do Bioloid Comprehensive Kit nomeadamente as pe as que se encontram na Figura 3 7 Caso a pe a de fixa o seja fabricada pelo utilizador esta pode possuir as dimens es que lhe forem mais convenientes uma vez que poss vel ajustar nas configura es do programa de modo a que as dimens es da pe a fabricada coincidam com o modelo 3D contido no Educational Manipulator Studio CANAS AMAM ANANANANAA PLITIAITILITITLITITITYT TU eee 00 7 00 W ao Figura 3 7 Pecas opcionais para fixar o ro
58. nipulator Studio V1 0 separador Manual Opera tion 4 2 DESENVOLVIMENTO DA APLICA O 25 As barras deslizantes contidas neste separador servem para alterar a posi o do pr prio rob manipulador e do seu modelo 3D Caso o bot o de Torque se encontre em OFF e se alterar se manualmente as posi es dos Dynamizels estas barras acompanham individualmente a movimenta o do rob formando tamb m um elemento visual de monitoriza o O separador Programing que consta na Figura 4 12 o nico local onde poss vel alterar a velocidade de funcionamento do rob manipulador excluindo sua a ferramenta Este controlo centralizado da velocidade do manipulador sim plifica consideravelmente o modo de programa o relativamente a velocidades Essa velocidade que exibida em Servos Speed vem em rpm em troca da antiga refer ncia entre O e 1023 De um modo semelhante convers o dos ngulos foi realizado tamb m atrav s de uma convers o linear essa mesma convers o a equa o em causa a equa o 4 2 2 114 Velocidade Dynamizel 4 2 2 1023 Velocidade rpm 4 2 3 Modo de programa o Conforme se pode observar na Figura 4 12 este separador cont m duas caixas que agrupam funcionalidades distintas dentro do m dulo de programa o caixa de cima agrupa a interface que apenas permite efetuar a dita programa o e a caixa de baixo relativa execu o dos programas constru dos Sendo que os nicos elemen
59. nt Ambiente de Desenvolvimento Integrado que proporciona uma expe ri ncia de desenvolvimento Delphi para programadores em Pascal Isto permite criar programas de natureza gr fica GUI Graphical User Interface interface gr fica para o utilizador desenvolvido para e suportado por o compilador Free Pascal para gerar um ficheiro execut vel Desde o in cio de 2008 Lazarus est dispon vel para Microsoft Windows v rias distribui es Linux FreeBSD e Mac OS X Esta poderosa ferramenta foi o programa utilizado para desenvolver a apli ca o Educational Manipulator Studio V1 0 Embora a referida aplica o desen volvida tem sido evolu da de uma aplica o j existente ESTG IPB Dynamizel Servos Controller V0 0 Conforme o exibido na Figura B 1 assim que se cria uma nova aplica o surgem no ambiente de trabalho cinco janelas distintas A janela principal a que se encontra no topo superior da imagem aqui onde se encontram to dos os elementos que foram usados no Educational Manipulator Studio Esses elementos s o de v rios tipos podendo ser elementos vis veis como por exem plo bot es caixas de texto tabelas barras de progresso etc Ou elementos de funcionamento da aplica o como por exemplo rel gios di logos de abrir e guardar ficheiros organizadores de barras de menus entre outros 60 AP NDICE B AMBIENTE LAZARUS Todos os elementos objectos retirados da janela principal t m de ser co loca
60. ogrammer e poss vel ver o seu aspecto pela observa o da Figura A 4 A aplica o Motion Editor oferece um modo de programa o atrav s de uma interface gr fica dos rob s contidos nos exemplos do pr prio programa Esta uma interface gr fica que permite criar e guardar posi es e movimentos de v rios m dulos Dyna mixel em simult neo para serem usadas posteriormente pelo Behavior Control 55 Program O utilizador pode criar comportamentos movendo as diferentes juntas manualmente e guardar essas posi es E normalmente utilizado quando existe a necessidade de executar movimentos complexos 7 Figura A 4 Motion Editor esquerda Behavior Control Programmer di reita O Behavior Control Program um programa que permite criar uma s rie de regras de comportamento e a es que o rob deve adoptar frente s circuns t ncias propostas Este o software principal para criar os programas para os rob s Bioloid sendo que consiste em m ltiplas linhas nas quais s o inseridos os blocos de instru es Para programar neste ambiente necess rio conhecer a lista de instru es v lidas Hoje em dia existe uma constante atualiza o no fabrico de novos kits Bio loid A vers o mais actualizada o Bioloid Premium Kit que est retratada na Figura A 5 esta a montagem de um rob human ide que utiliza a melhor tenologia que este novo kit fornece tendo ao seu dispor um avan ado leque de novo
61. ontrolador Na Figura 6 6 a pode se ter no o de qual o tipo de amortecimento que os servomotores Dynamixel AX 12 proporcionam A X a b Figura 6 6 Resposta do sistema a Amortecimento cr tico b Superamorte cido X posi o t tempo Como este trabalho foi apenas direcionado para o controlo de posi o a resolu o mais plaus vel imposta foi a limita o da velocidade dos servomotores que fez com que o amortecimento do sistema fosse muito mais aceit vel No entanto a resposta ideal para o amortecimento do sistema seria algo do g nero ao exposto na Figura 6 6 b Outro resultado inerente fase de testes mostou que a temperatura dos servomotores aumenta muito rapidamente com o uso do manipulador Este facto deve se sobrecarga a que alguns dos Dynamizels se encontram sujeitos 6 2 DISCUSS O DE RESULTADOS 45 devido fraca estrutura que suportam Este problema n o pode ser suprimido neste trabalho mas foi tido em conta sendo que os valores de temperatura s o constantemente monitorizados e o rob inactivo caso estes valores ultrapassem valores considerados perigosos O modelo tridimensional contido na aplica o n o de todo o mais porme norizado em termos de detalhes gr ficos no entanto representa o rob mani pulador com um grau consideravelmente satisfat rio A inclus o deste modelo tridimensional foi uma grande valia para o funcionamento da aplica o prin cipalmente p
62. opLE O Formi TForml unit Uniti Smode objfpc H interface uses Properties Events Favorites Restricted 8 Classes SysUtils FileUtil Forms Contr Action ActiveControl type G TFormi class TForm private private declarations AlphaBlend False s public AlphaBlendWalue 255 public declarations Anchors akTop akLeft end AutoScroll False Auto Size False BiDiMode bdLeftToRight Borderlcons biSystemMenu bik BorderStyle bsSizeable BorderWidth 0 Caption Formi ChildSizing TControlChildSizir Color O clDefault Constraints TSizeConstraints Align alNone AllowDropFiles False var Formi TForml Modified INS unitl pas Figura B 1 Ambiente Lazarus de uma nova aplicac o Ap ndice C Instala o da componente de software GLScene New package 5 Misc Data Controls Data Access System SynEdit RTTI Pro Chart SQLdb EB OCEE0568 Open loaded package i Open package file pk Open package of current unit Open recent package if Formi TForml Add active unit to a package Package Graph Install Uninstall packages Properties Events Favorites Action ActiveControl Align AllowDropFiles AlphaBlend AlphaBlendValue Anchors AutoScroll Auto Size BiDiMode Borderlcons BorderStyle BorderWidth Caption ChildSizing Color
63. or Constraints 255 Formi Restricted alNone False False akTop akLeft j False False bdLeftToRight biSystemMenu bik bsSizeable 0 TControlChildSizir m clDefault TSizeConstraints T unit Uniti mode objfpc SH interface uses Classes SysUtils FileUtil Forms type TFormi class TForm private private declarations public public declarations end var Formi TForml implementation SR 1fm Controls Graphics Dialo Novos separadores GLScene
64. orque permite ao utilizador usufruir de um modo de programa o desconectado do rob manipulador Por fim resta referir que esta aplica o juntamente com o respetivo rob manipulador j foi apresentada ao p blico nomeadamente na Qualific que uma Feira de Educa o Forma o Juventude e Emprego e que teve lugar na EXPONOR Porto Mais tarde tamb m foi apresentado na Noite Europeia dos Investigadores sobre a tem tica Rob tica Descodificada que decorreu no Centro Ci ncia Viva de Bragan a Em ambos os locais foram feitas demonstra es das funcionalidades da aplica o em que cativou especial interesse a interface correspondente ao simulador 3D 46 CAP TULO 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Cap tulo 7 Conclus es O projeto realizado no mbito deste est gio profissional teve como principal ob jetivo o desenvolvimento de um rob manipulador constitu do por componentes da plataforma did tica Bioloid que possibilitasse sustentar uma significativa evolu o na forma o dos t picos de rob tica a baixo custo Para este efeito foi constru do um rob manipulador com quatro graus de liberdade que utili za seis servomotores Dynamixel AX 12 do Bioloid Comprehensive Robot Kit A estrutura do rob manipulador utilizada neste trabalho foi uma estrutura reaproveitada de outro trabalho semelhante sendo que todo o software conto lador foi desenvolvido de ra z O controlo deste rob manipulador foi implement
65. plica o de como montar o rob manipulador ne cess rio compreender como se pode interagir com este manipulador para isso segue se o cap tulo 4 onde aprofundada a explica o de como a palica o foi criada e quais s o as suas funcionalidades Cap tulo 4 Aplica o de controlo e supervis o Neste cap tulo descrita a aplica o de controlo e supervis o do manipulador did tico Em particular s o descritas de forma pormenorizada a configura o do sistema o modo de opera o e os modos de programa o manual e RAPID Uma breve descri o do software ROBOTIS tamb m elaborada para suportar a configura o dos servomotores A utiliza o do Dynamixel Manager opcio nal pois este apenas foi utilizado para efetuar um pr ajuste aos servomotores Dynamizels Embora n o seja estritamente necess rio consumar estes ajustes aconselhado que sejam feitos meramente por quest es de organiza o pr tica 4 1 Software Robotis DynamixelManager Este software desenvolvido e fornecido pela ROBOTIS uma ferramenta bas tante til para efetuar alguma pr configura es Uma vez que se execute o respectivo programa exibida uma janela denominada de Dynamizel Search Para os casos mais simples com poucos componentes Dynamizel basta fazer uma busca r pida dos mesmos para isso selecciona se Quick Search e clica se no bot o Search Em poucos segundos todos os Dynamizels conetados ao USB2Dynamizel se
66. plication A graphical LCL Free Pascal program The program source is automatically maintained by Lazarus Selecionar o tipo de projeto a criar B 2 DESCRI O DO AMBIENTE DE TRABALHO 59 3 Lazarus IDE v0 9 30 2 project o x File Edit Search View Project Run Package Tools Environment Window Help Da B ealag Standard Additional Common Controls Dialogs Misc Data Controls Data Access System SynEdit RTT IPro Chart SQLdb Del lagda Faea mena o geL Formu TForml Properties Events Favorites Restricted Action ActiveControl Align AllowDropFiles AlphaBlend AlphaBlendValue b Anchors alNone False False 255 akTop akLeft unit Uniti Smode objfpc SH interface uses Classes SysUtils FileUtil Forms Cc type TFormi class TForm private private declarations public public declarations end AutoScroll False Auto Size False BiDiMode bdLeftToRight b Bordericons biSystermMenu bik BorderStyle bsSizeable BorderWidth 0 SR 1fm var Formi TForml implementation Caption Formi b ChildSizing TControlChildSizir Color E clDefault S Constraints TSizeConstraints Modified unitl pas Ambiente Lazarus de uma nova aplicac o B 2 Descri o do ambiente de trabalho Lazarus uma multi plataforma livre IDE Integrated Development Environ me
67. que um rob manipulador tem como principal objetivo deslocar materiais podendo ser pe as diversas ferramentas que ir o trabalhar sobre uma pe a sistemas de vis o entre outras possibilida des 5 11 Figura 2 1 Exemplos de rob s manipuladores industriais caso comum de bra o manipulador Um rob manipulador portanto uma m quina multi aplica o e re program vel possuindo certas caracter sticas antropom rficas muito semelhan a de um 3 4 CAP TULO 2 MANIPULADOR DID TICO BASEADO EM BIOLOID membro superior humano As vantagens impl citas utiliza o deste tipo de equipamento no desempe nho de tarefas industriais s o v rias entre as quais se destacam as seguintes e Factores de seguran a acrescida na interface de operadores com m quinas industriais e Repetibilidade exaustiva da tarefa a realizar sem pausas e O ambiente de trabalho por vezes prejudicial ao ser humano e Possibilita a manipula o de cargas elevadas que seriam dif ceis ou impos s veis para operadores e N veis de precis o altamente superiores aos do ser humano e Grande versatilidade no desempenho de tarefas e Utiliza o eficiente das unidades de produ o intensiva Os rob s industriais podem ser classificados de acordo com o n mero de juntas o tipo de controlo o tipo de acionamento e a sua geometria Normalmente classificam se os rob s de acordo com o tipo de junta ou mais exatamente pelas tr s junta
68. r o encontrados e exibidos nesta mesma janela sendo ape nas identificados pelo seu n mero de identifica o ID tal como se pode ver na Figura 4 1 Para o caso de que os Dynamizels j tenham sido encontrados pelo programa n o necess rio esperar at ao final de toda a procura bastando para isso clicar em Stop e seguidamente em OK 17 18 CAP TULO 4 APLICA O DE CONTROLO E SUPERVIS O 2 Dynamixel s Found i Baudrate 1 Search Option E as Quick Search SS ID 17 Full Search Figura 4 1 Procura de servomotores Dynamizel Uma vez obtidos os Dynamizels conectados neste caso exemplificativo ID 15 e ID 17 tem se acesso janela do pr prio programa Dynamizel Manager ver Figura 4 2 Neste programa oferecido um vasto leque de op es para a configura o independente dos Dynamizels ainda poss vel verificar as con di es estado actual em que se encontram os mesmos Connection C Advance 4 Help H 2 Dynamixel s Found Operation Configure Network i Baudrate 1 g ID 15 o ID 17 Control Torque LED ON OFF ON OFF Movement Test Speed 0 Max RPM i Goal Position 514 150 6 Center U FM Control Property Cw Compliance Margin U 0 Status Present Position 514 Present Speed O Present Load 0 Present Voltage 12 6w Present Temperature Registered Instruction O Moving O Lock 0 Status Packet Error nstruction
69. r compreens o do exemplo O ambiente de trabalho nesta demonstra o cont m dois pequenos potes de mel A e B e uma pe a com forma cil ndrica O ponto P representa a posi o de seguran a descanso Esta demonstra o consiste em mover a pe a cil ndrica do topo do pote de mel B para o topo do pote de mel 4 e seguidamente do pote de mel A para o pote de mel B Al 42 CAP TULO 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Figura 6 1 Simula o tridimensional exemplo Potes de Mel Para uma melhor analise das trajet rias que o rob manipulador executa encontra se esquematizado na Figura 6 2 todos os passos efetuados pelo rob Numa primeira etapa da demonstra o a pe a a deslocar encontra se em cima do pote de mel B e deve ser deslocada para o pote A Para isso o rob inicia O seu percurso na posi o assinalada como ponto P e dirige se para um ponto que se situa em cima da pe a cil ndrica de modo a efectuar a aproxima o depois apanha a pe a e vai para uma posi o em cima do pote onde faz a aproxima o ao mesmo e larga a pe a por fim afasta se ligeiramente da pe a e retorna posi o inicial ponto P Numa segunda etapa da demonstra o o comportamento semelhante ao descrito na primeira etapa com a diferen a de que a pe a cil ndrica se encontra no topo do pote de mel A e vai ser deslocada para o cimo do pote de mel B KS o Figura 6 2 Esquema das trajet rias programadas exemplo Pote
70. rat gias de controlo diferentes Deste modo o rob manipulador projetado poder constituir um material did ctico auxiliar aos docentes para facilitar a consolida o de conhecimentos te ricos Do mesmo modo permitir aos alunos adquirirem novos conhecimentos atrav s da sua manipula o para posteriormente aplic los em rob s industriais comerciais Uma tarefa importante neste projeto o desenvolvimento de uma aplica o de software para programa o off line do rob sendo para isso necess rio cons truir um simulador tridimensional do pr prio manipulador Essa melhoria no software permite programar e analisar os movimentos do rob no PC antes de serem executados no mesmo 1 3 Estrutura do documento Este relat rio encontra se sub dividido em sete cap tulos A seguir a esta breve introdu o sucede se o cap tulo dois onde abordada a arquitetura do siste ma em causa e tamb m feita uma apresenta o das no es b sicas relativas a manipuladores industriais Posteriormente no cap tulo tr s apresentado o ma terial requerido para a realiza o deste projeto e tamb m descrita a maneira como esse material devidamente assemblado e conetado O cap tulo quatro composto por uma aprofundada descri o de todo o software utilizado no deco rrer deste trabalho tal como uma descri o todo o trabalho de desenvolvimento da aplica o melhorada em que feita uma detalhada explica o de todas as melho
71. rias que foram acrescentadas com especial destaque para as op es ava n adas No cap tulo cinco encontram se em pormenor os passos a ter em conta para a constru o do simulador tridimensional No cap tulo seis s o apresenta das algumas demonstra es do uso da aplica o e apresentada uma discuss o dos resultados obtidos nos testes da aplica o Por fim no cap tulo sete s o apresentadas as conclus es adquiridas ao lon go do desenvolvimento e conclus o deste projeto ainda feita uma alus o a propostas para futuros trabalhos de modo a evoluir ainda mais a aplica o desenvolvida Cap tulo 2 Manipulador did tico baseado em Bioloid O presente cap tulo aborda as no es principais associadas a manipuladores in dustriais incluindo uma breve descri o do modo de caracterizar estes mesmos e introduz a arquitetura do manipulador desenvolvido neste trabalho 2 1 Rob s manipuladores industriais Os rob s manipuladores industriais s o amplamente utilizados pela ind stria dos dias de hoje mas o que um rob manipulador Segundo a Associa o de Ind strias da Rob tica RIA a sua defini o para rob industrial Um ro b industrial ver Figura 2 1 um manipulador reprogram vel multifuncional projetado para mover materiais pe as ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos vari veis programados para a realiza o de uma variedade de ta refas Desta defini o podemos concluir
72. rmal em b tem aquilo que se chama de stencil isto a mesma sombra mas translucida Finalmente existe tamb m a poss bilidade de n o mostrar qualquer sombra tal como exemplificado em c Este efeito foi conseguido atrav s da associa o do elemento GLShadowPlane pe a onde se pretende que vejamos a sombra do modelo do rob no GLScene Editor lt OY 4 TATA lt Oy 4 Figura 5 5 a Modelo 3D com sombra b Modelo 3D com sombra em stencil c Modelo 3D sem sombra Outra op o dispon vel nesta janela Use Grid usar grelha que conforme 38 CAP TULO 5 SIMULADOR 3D o nome sugere tem se acesso a uma grelha Observando a Figura 5 6 encontra se um exemplo do uso dessa mesma grelha em que na referida imagem possui 2cm por 2cm de dimens o entre linhas Estas dimens es Podem ser alteradas facilmente em X Sampling Step e Y Sampling Step O uso desta grelha permite ao utilizador ter uma melhor no o das dimens es da rea de trabalho e do consecutivo impacto dos movimentos do rob Este detalhe foi alcan ado com a adi o do componente GLXYZGrid ao GLScene Editor sendo que a sua localiza o encontra se ligeiramente acima da superf cie da base Figura 5 6 Uso da grelha para refer ncia com um passo de 2cm para x e para y Uma vez que nos dias correntes existe uma grande aposta em imagens em 3D foi inclu do nesta aplica o a op o de visualizar o modelo do rob com o recurso a culos pr prios para est
73. s ferramenta garra tamb m poss vel declarar quais os IDs relativos a cada Dynamizel que comp em a garra Neste mesmo espa o delimitado pode se ainda definir quais s o os ngulos que o utilizador pretende que a garra execute quando se encontra aberta e fechada sendo ainda poss vel testar esses mesmos ngulos antes de se guardarem as configura es Real a se o facto de ser sempre necess rio guardar as configura es no bot o Save Configuration para que estas surjam efeito File Options Help Manual Operation Programing Configuration Torque O Servo 41D Grab LID Grab 2 ID 4 6 Servo 31D Grab 1 Angle ON Grab 2 Angle ON 3 150 150 Grab 1 Angle OFF Grab 2 Angle OFF 170 130 Servo 2 ID 2 Servo 1 ID Show Servos ID Save Configuration Figura 4 5 Educational Manipulator Studio V1 0 separador Configuration Ainda no separador Configuration consta o bot o Advanced que caso seja pressionado a aplica o exibe uma nova janela que cont m as configura es 4 2 DESENVOLVIMENTO DA APLICA O 21 avan adas O conte do dessa janela encontra se relatado mais frente ainda neste cap tulo Por fim no mesmo separador existe uma check box caixa de verifica o que permite selecionar se quer ou n o visualizar os IDs correspondentes nos servomotores representados no modelo 3D A Figura 4 6 exemplifica essa mesma situa o de acordo com os dados exposto
74. s de Mel Ap s se gravar o ficheiro que contenha os pontos da trajet ria estes s o gravados num ficheiro de texto O aspeto que esse ficheiro toma se for aberto com o Bloco de notas do Windows o apresentado na Figura 6 3 para o exemplo da demonstra o Potes de Mel Tal como se pode observar na referida figura constam sete colunas com v rios valores Sendo que as primeiras quatro colunas representam os quatro eixos de liberdade do rob manipulador e as duas colunas seguintes a posi o da garra de acordo com a sua posi o aberta ou fechada Por fim pode se ver na ltima coluna um valor constante que representa a velocidade em que as trajet rias v o ser feitas quando este exemplo for executado 6 1 EXPLORA O DE DEMONSTRA O 43 Figura 6 3 Ficheiro texto de pontos guardados exemplo Potes de Mel Conforme se pode verificar novamente na Figura 6 3 os valores nela conti dos n o s o de f cil percep o isto porque se encontram numa escala diferente da exibida na aplica o ou seja est o entre O e 1023 que corresponde aos comandos Dynamizel Conforme j foi anteriormente referido neste documento de um modo seme lhante grava o de pontos poss vel ao utilizador gravar os seus programas constru dos em RAPID sendo que para isso o resultado o ilustrado na Figura 6 4 O texto contido neste ficheiro diz respeito a um exemplo de uma trajet ria gen rica como a recriad
75. s mais pr ximas da base do rob Tamb m podem ser classificados em rela o ao espa o de trabalho workspace ao grau de rigidez extens o de controlo sobre o percurso do movimento e de acordo com respetivsas aplica es 1 Os diferentes graus de liberdade de um rob podem ser encontrados em v rias combina es de configura es rotacionais e lineares dependendo da aplica o Tais combina es s o denominadas geometria do rob As juntas tipicas podem ser descritas do seguinte modo ver Figura 2 2 MN bd Linear Tipo L Rotacional Tipo R Tor o Tipo T Revolvente Tipo V Figura 2 2 Tipos de juntas ou articula es e Junta Linear tipo L Permite o movimento das liga es de uma forma linear e Junta Rotacional tipo R Movimento de rota o em rela o ao eixo perpendicular jun o das duas liga es e Junta de Tor o tipo T Movimento de rota o em rela o ao eixo paralelo jun o das duas liga es e Junta Revolvente tipo V Movimento de rota o com eixo paralelo liga o de entrada a mais pr xima da base e perpendicular de sa da 2 Cada configura o pode ser representada pela sequ ncia das diferentes jun tas atrav s da nota o de letras de cada junta L R T ou V Come ando pelo grau de liberdade mais pr ximo da base podendo ser classicado como Carte siano LLL Cil ndrico TLL Esf rico TRL Articulado TRR e SCARA
76. s na Figura 4 5 Jaa Figura 4 6 Apar ncia do modelo 3D quando se seleciona a op o Show Servos ID Para um funcionamento correto da aplica o Educational Manipulator Stu dio os n meros exibidos nos servomotores do modelo 3D devem corresponder exactamente pela mesma ordem nos Dynamizels do rob manipulador Conforme se pode constatar pela observa o das Figuras 4 11 4 12 e 4 5 embora exteriormente aos separadores que a aplica o possui existe um modelo 3D do rob manipulador Este referido modelo acompanha permanentemente todos os movimentos do pr prio rob manipulador o que confere uma significa tiva melhoria visual a esta aplica o O modo como este elemento tridimensional foi constru do encontra se descrito no seguinte cap tulo 5 A adi o de op es avan adas a esta aplica o oferece ao utilizador desta um maior controlo sobre o rob manipulador Na Figura 4 7 podemos ver o aspecto da janela Advanced que relativo s configura es avan adas 22 CAP TULO 4 APLICA O DE CONTROLO E SUPERVIS O Servos Angle Temperature Safe Mode Servo 4 Max Servos Temperature CC 55 Min Base Height cm 100 Active Shadows Camera look at Use Stencil Servo4 v Show axes Use Grid X Sampling Step 1 00 Y Sampling Step 1 00 Grab Speed rpm 57 3D Set Default Figura 4 7 Janela das configura es avan adas De modo a explicar devidamente o conte do desta jan
77. s sensores CM 510 zs Jm RC 100 Main Controller Dynamixel AX 12A Exclusive Servo Module for Robots Li Po Battery 4 11 1V1000mA Gyro Sensor Adjusting stures while walking Cable Holder x Figura A 5 Bioloid Premium Kit Wireless Controller IR Receiver ZIG 110 Wireless Communi cation Module Option DMS Distance Measurement Sensor IR Sensor Object Detection 56 AP NDICE A KIT BIOLOID O facto de estes kits serem de f cil programa o e de pre os razo veis per mitiu ROBOTIS difundir exemplarmente os seus produtos Esta expans o leva a que novos produtos sejam constantemente submetidos a novos desafios e testes aproveitando em paralelo o desenvolvimento de novas tecnologias dando posterior origem a componentes de melhor qualidade mais avan ados e com mais caracter sticas de parametriza o Ap ndice B Ambiente Lazarus B 1 Criar uma nova aplica o File Edit Search View Project Run Package Tools Environment Window Help OSM LEE Delib l ME E Properties Project Wizard Criar um novo projeto New Project ov AP NDICE B AMBIENTE LAZARUS Tools Environment Window Help Application Properties Program Console application Library FPCUnit Console Test Application FPCUnit Test Application Data Access System SynEdit RTTI Description Ap
78. s v rios elementos Conforme se pode verificar na Figura 3 18 o m todo de estabelecer as conex es el ctricas bastan te simples Basta portanto conetar o USB2Dynamizel a uma porta USB de um computador que contenha o programa controlador e atrav s de um cabo s rie interligar a porta RS485 tr s pinos do USB2Dynamizel a uma porta igual mente RS485 do adaptador SMSP2Dynamizel sendo que a outra porta R8485 16 CAP TULO 3 CONSTRU O F SICA DO MANIPULADOR do referido adaptador vai se conetar por quest es pr ticas ao Dynamizel que se encontra mais junto da base Quanto aos outros servomotores as conex es dever o ser estabelecidas em s rie preferencialmente na ordem da base em di re o ferramenta Para a alimenta o basta portanto conetar o transformador rede e ligar o seu conector ao adaptador SMSP2Dynamizel Uma grande vantagem na utiliza o destes componentes de que tanto nas conex es nos servomotores Dynamizel como no adaptador SMSP2Dynamizel as portas utilizadas n o possuem ordem fixa de entrada e sa da Este facto d ao utilizador uma grande flexibilidade para estabelecer as conex es conforme o que for mais conveniente Figura 3 18 Esquema das liga es entre todos os componentes necess rios Neste projeto o resultado final da assemblagem do rob manipulador com pe as do Bioloid Comprehensive Kit apresentado na Figura 3 19 Figura 3 19 Montagem final Uma vez completa a ex
79. sor Paulo Leit o o meu co orientador e ao Professor Juan Carlos Fraile o meu supervisor na empresa pelo grande apoio dado no desenvolvimento desta tese Por fim desejo expressar o meu agradecimento a todos os grandes amigos que fiz ao longo destes anos no IPB il Resumo Os manipuladores industriais s o amplamente utilizados em v rios dom nios de aplica o tais como soldadura montagem pintura e manipula o O elevado custo associado a estes sistemas de automa o torna os praticamente impos s veis de serem adquiridos por entidades educacionais quer sejam universidades ou escolas profissionais no entanto estes dispositivos s o necess rios para apoiar a aprendizagem de actividades na rea da rob tica O presente documento descreve as diversas etapas no desenvolvimento de uma aplica o de controlo para um rob manipulador denominada Educational Manipulator Studio baseado em kits did ticos cuja principal finalidade criar uma plataforma de baixo custo que apoie o ensino de rob tica Esta ferra menta deve apresentar um sistema de controlo flex vel e permitir ser facilmente melhorada Na constru o do rob manipulador foi selecionado o Bioloid Comprehensive Kit por ser um kit muito vers til acess vel relativamente robusto e que permite ser programado em diferentes linguagens amplamente conhecidas O rob ma nipulador desenvolvido neste trabalho dotado de seis servomotores Dynamizel AX 12 e d
80. ssem danificados isto porque tal como foi comprovado com o uso do manipulador em fase de testes estes 4 2 DESENVOLVIMENTO DA APLICA O 23 aqueciam demasiado pondo em risco o seu funcionamento Deste modo criou se um algoritmo de seguran a que desativa de imediato o funcionamento dos Dynamizels caso estes excedam um limite de temperatura A esta op o denomina se de Temperature Safe Mode que para al m de poder ser ativo e desativo poss vel atribuir o valor de temperatura em graus Celsius que se considere ser o limite m ximo de funcionamento Para o caso deste limite ser ultrapassado os Dynamizels s o automaticamente desligados a cor de fundo da tabela contida no separador Manual Operation muda para vermelho e exibida uma mensagem de aviso tal como se pode constatar na Figura 4 9 S poss vel fechar este mensagem de erro caso a temperatura do Dynamizel em causa retorne a valores aceit veis ou seja inferior ao imposto pelo utilizador Temperature of the motors is too high Please wait until the temperature value get to a safe value Figura 4 9 Mensagem de erro exibida quando a temperatura excede o limite m ximo A op o Base Height altura da base permite ao utilizador ajustar o modelo 3D ao rob manipulador relativamente espessura da pe a que interliga a base ao pr prio rob Esta altura pode variar de rob para rob conforme a maneira de como este foi fixo base sendo ent o poss vel
81. sta imagem pare a que a posi o do modelo n o corresponda a uma posi o que o rob possa adquirir de real ar que na aplica o esta posi o n o atingida devido s limita es nos ngulos Serve ent o esta pr visualiza o para se ter uma ideia geral do produto final Figura 5 8 Aspecto final do modelo tridimensional do rob em fase de edi o 40 CAP TULO 5 SIMULADOR 3D Cap tulo 6 Resultados experimentais Neste cap tulo ser o expostos alguns exemplos experimentais retirados da utili za o da aplica o desenvolvida Estes exemplos dizem respeito elabora o de programas constru dos nos diferentes modos de programa o contidos na apli ca o Seguidamente atrav s de v rias cr ticas e sugest es s o analisados os resultados obtidos ao longo da elabora o deste trabalho 6 1 Explora o de demonstra o Na aplica o desenvolvida e como j foi referido poss vel elaborar progra mas que guardam os movimentos das trajet rias De modo a exemplificar a programa o por aprendizagem de pontos foi elaborada uma demonstra o denominada Potes de Mel Na Figura 6 1 pode se ver uma recria o tridimen sional do ambiente da demonstra o importante referir que nesta imagem apenas o modelo do rob e a sua respetiva base s o os elementos retirados da aplica o sendo que os demais elementos que figuram na imagem foram poste riormente adicionados apenas para uma melho
82. ta de o seleccionar na anteriormente j referida Combo Box onde os pontos s o armazenados exibidos e clicar no bot o Got Movement Point Por fim se o utilizador desejar apagar a lista de pontos movimentos gravados 4 2 DESENVOLVIMENTO DA APLICA O 27 tem ao seu dispor o bot o Reset Record que limpa definitivamente os pontos inseridos na lista de movimentos 4 2 3 2 Programar em RAPID Uma segunda op o de programa o o modo RAPID em que para se ter acesso a esta janela como j foi anteriormente referido necess rio clicar no bot o Programing in RAPID que se encontra no separador Programing da aplica o Educational Manipulator Studio Uma vez premido o referido bot o aparece a janela exibida na Figura 4 13 Pelo facto de o utilizador estar a aceder a uma nova interface de programa o n o significa que o resto da aplica o se encontre desativada pelo contr rio todas as op es e interfaces ser o alteradas normalmente pelo regular manuseio do rob manipulador t RAPID pe em Movement Instruction Mov gt Movel Pt gt PID XYZ Vel gt W57 Pro XYZ x Send to Mai EoetPosiion Movel Main Program 0 Movel PCD XYZ V57 Create Point X bd Z Grab Angle 150 5 57 Grab ON Speed Delete Line Go to Movements 1 of 0 Time Elapsed 0 3 5 Close Play Loop Figura 4 13 Janela de programa o em RAPID Embora esta
83. tos que se encontram fora dela s o o bot o de Torque ON OFF e o bot o Programing in RAPID Conforme se pode verificar a presen a do bot o de Torque encontra se em todos os separadores esta caracter stica singular foi atribu da unicamente a este bot o porque ele serve de interruptor de emerg ncia podendo deste modo ser desactivado em qualquer altura o bin rio exercido pelos Dynamizels evitando problemas de maior Quanto ao bot o Programing in RAPID em caso de ser clicado exibida uma nova janela esse assunto encontra se explicado mais pormenorizadamente no cap tulo 4 2 3 2 EEducatonal Man File Options Help Manual Operation Programing Configuration Torque te ee Servos Speed 10 U Add Point Nr Movement Points 6 V Grab ON Programing in RAPID Goto Movement Point p x Reset Record STOP V Loop Movements 3 of 6 Time Elapsed 0 8 s Workina file none Figura 4 12 Educational Manipulator Studio V1 0 separador Programing 26 CAP TULO 4 APLICA O DE CONTROLO E SUPERVIS O 4 2 3 1 Programar por aprendizagem de pontos Este modo de programa o j se encontrava embutido na aplica o anterior a este projeto sendo portanto um modo muito simples mas eficaz de programar os movimentos do rob manipulador Actualmente o painel de controlo principal deste tipo de programa o encontra se no separador Programing da aplica o Edu
84. tting objects MD Plane Ctrl D 1 Particle systems FAR Polygon Environment objects Cube HUD objects k Frustrum GUI objects t Sphere special objects kd Disk Doodad objects tA Cone Proxy objects t m Cylinder a Direct OpenGL D Capsule K Render Point P Dodecahedron af Imposter Sprite CM Icosahedron 3 P Figura 5 3 Como adicionar objectos Embora n o seja obrigat rio de boa pr tica adicionar se um DummyCube cubo manequim aos cen rios Este cubo permite ter uma no o das dimens es dos objectos adicionados a sua dist ncia e ngulos relativamente ao eixo origem e permite ainda delimitar a rea de trabalho facilitando no in cio da constru o do cen rio ter a c mara constantemente direccionada para este cubo Este cubo s aparece na janela desenvolvimento e nunca na aplica o De modo a melhorar o ambiente tridimensional aconselhado adicionar uma ou v rias LightSource fontes de luz A adi o deste elemento confere ao cen rio uma maior facilidade de compreender a forma e posi o dos objectos 3D nele contidos Por fim como n o podia deixar de ser necess rio adicionar os objectos Para isso segue se as instru es ilustradas na Figura 5 3 de modo a se adicionar um cubo Todos os objectos adicionados necessitam de ser editados em primei ro lugar deve se atribuir as dimens es pretendidas depois devemos associar no GLScene Editor a um outro elemento j existente normalmente a outro objec to

Desenvolvimento de Robô Manipulador Baseado em Componentes

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