robo-ed-7020

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ROBOTICA INDUSTRIAL MECATRÔNICA 
 
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INTRODUÇÃO 
O braço robô ED-7220C da Ed-Laboratories, é um braço para fins didáticos que possui 6 
motores e 5 junções. Ele possui um joystick para seu controle, chamado Teach Pendant para 
aprender as função, de forma a comandar o braço robô. 
 
CARACTERÍSTICAS DO BRAÇO MECÂNICO 
O modelo disponível do braço mecânico que é utilizado neste projeto é o ED-7220 - ARM 
Robot Trainer do ED Laboratory. Este modelo é composto por cinco junções: 
 
 
• Cintura 
• Ombro 
• Cotovelo 
• Pulso e mão 
 
POSSUI SEIS MOVIMENTOS 
• Um para cada junção e 
• Um para abertura e fechamento da mão 
 
Cada uma dessas junções é controlada por um servo-motor com exceção do pulso, que é 
controlado pelo movimento combinado de dois servo-motores. Cada junção é controlada por 
um motor DC, e a posição do motor é determinada pelo encoder que cada motor possui. 
 
Para fazer a comunicação com o robô, é necessário utilizar o protocolo próprio do MK4-
Controler. O MK4-Controler possui uma conexão serial RS-232, que possibilita o envio dos 
comandos para o controle do robô. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Para fazer a comunicação entre o Joystick e o braço mecânico é utilizado o hardware MK4-
Controller. A programação desse hardware pode ser feita de duas formas: pelo protocolo 
próprio, como citado anteriormente, ou através de um outro hardware conhecido como Teach 
Pendant. Por meio do Teach Pendant a programação é transferida para o MK4-Controler que, 
por sua vez, comanda a movimentação dos motores. No projeto foi utilizada a comunicação 
pelo protocolo próprio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O MK4-Controller permite o ajuste de velocidade, aceleração, tipo de movimentação, e demais 
configurações para controlar os servo-motores do robô. É possível também fazer o controle de 
esforço de cada motor, armazenamento de posição atual, controle de vários tipos diferentes de 
robôs e outras funções. No projeto, foi escolhida a movimentação do tipo trapezoidal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Neste tipo de movimentação o motor afetado acelera até a velocidade programada, permanece 
nela até chegar próximo ao seu destino e gradualmente desacelera até parar o motor 
completamente. É interessante ressaltar que se o destino do motor for encontrado antes dele 
atingir a sua velocidade este irá desacelerar, não importando a velocidade atual. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ENCODER 
É um dispositivo que gera pulsos a cada grau de rotação do eixo do motor. Isso é muito útil, 
pois é possível comandar o motor para ir até uma posição específica sem ter que posicionar 
sensores para detectar o fim do movimento. Os servo-motores mantém suas posições mesmo 
após o fim do estimulo elétrico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INICIALIZAÇÃO 
Para que o Robô possa funcionar é necessário definir alguns parâmetros como velocidade, 
aceleração e tipo de movimentação. Deve-se definir também o tipo de robô que o MK4-
Controler irá controlar e se os comandos serão enviados pelo Teach Pendant ou pela interface 
serial, que é chamado de host. Esta tarefa de transferência de controle deverá ser a primeira 
executada, pois algumas outras tarefas, como movimentação de motores não pode ser feita 
pelo host se o Teach estiver com o controle. 
 
DEFINIÇÃO DA POSIÇÃO DESTINO DO MOTOR 
É tarefa de informar ao MK4 em qual posição que o motor deverá parar. Essa posição é 
contada em pulsos do encoder e pode ser: 
 
• Absoluta: é a contagem absoluta do motor que vai de –32768 a 32767. 
• Relativa: na qual se informa ao motor qual será o incremento em pulsos do encoder que o 
motor irá executar, a partir da posição atual. 
 
ACIONAMENTO DO MOTOR 
O MK4 aciona o motor até que a posição atual se iguale à posição de destino, seja ela absoluta 
ou relativa. A partir da execução deste passo o MK4 já pode receber uma outra posição de 
destino para o motor, porém esta movimentação só será executada depois que a atual for 
concluída. A informação anterior fica armazenada em um buffer no MK4-Controler. 
 
Estão disponíveis cinco junções e seis motores. Abaixo os motores e suas respectivas junções: 
- Junção da mão: motor A → movimento de abre e fecha da garra; 
- Junção do pulso: motores B e C → movimento vertical (azimutal) e de rotação; 
- Junção do cotovelo: motor D → movimento vertical; 
- Junção do ombro: motor E → movimento vertical; 
- Junção da cintura: motor F → movimento de rotação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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O hardware MK-4 possui um protocolo já definido, o qual interpreta comandos previamente 
definidos tais como: 
 
 
 
 
 
Com esses 15 comandos básicos, é possível fazer todo o acionamento e controle do robô. 
Esses comandos são enviados pelo software que roda no PC, através da interface serial RS- 
232. A velocidade de transmissão padrão do MK4-Controler é 9600 bps. 
 
DIFERENÇAS ENTRE UM SENSOR E UM TRANSDUTOR 
 
 
 
Uma importante função da eletricidade é a possibilidade de medir grandezas físicas como 
temperatura, aceleração, posição, força, pressão entre outros fatores. Para tanto é necessário 
transformar essas grandezas físicas em grandezas elétricas, daí a importância da eletricidade. 
A função de transformação de uma grandeza, ou uma forma de energia em outra, pode ser 
realizada por um sistema conhecido como transdutor. Em resumo, transdutor é um sistema que 
transforma uma forma de energia para fins de medida. 
Existe sempre uma confusão entre sensores e transdutores, porém por definição o transdutor é 
o sistema por inteiro, que produz um sinal devidamente proporcional à grandeza física que esta 
sendo medida. Por outro lado o sensor é apenas a parte do transdutor que “sente” a grandeza 
física a ser medida pelo transdutor. 
 
 
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O TRANSDUTOR TEM COMO FINALIDADE 
• Detectar a presença, a mudança, a amplitude ou a frequência de uma determinada medida; 
• Providenciar na saída um sinal elétrico, quando convenientemente processado e aplicado a 
um aparelho de medida que nos permite quantificar o elemento medido. Esse elemento pode 
ser uma quantidade, uma propriedade ou uma condição que o transdutor transforma num sinal 
elétrico. 
 
CARACTERÍSTICAS DOS TRANSDUTORES 
 Na escolha de um transdutor é necessário observar alguns aspectos que podem ser de grande 
relevância no desenvolvimento de um projeto. Estes aspectos estão descritos abaixo de forma 
um pouco mais detalhada. 
 
 
� FAIXA 
 Representa os níveis de amplitude do sinal de entrada, sinal o qual o transdutor deve operar. 
� RESOLUÇÃO 
 Pode ser definida como o menor incremento do sinal de entrada que pode ser sensível e 
consequentemente medido pelo instrumento. 
� SENSIBILIDADE 
 O transdutor deve ser suficientemente sensível para permitir uma saída razoavelmente 
detectável 
� LINEARIDADE 
 O objetivo de uma curva de resposta de um transdutor é que ela seja o mais próxima de uma 
reta, configurando assim a linearidade do transdutor. 
� EXATIDÃO OU ERRO 
 Todo instrumento apresenta uma exatidão que seria definida pela diferença absoluta entre o 
valor real da medida e o valor que o instrumento indica. 
� PRECISÃO OU REPETIBILIDADE 
 É a capacidade do instrumento de se obter o mesmo valor várias vezes pelo mesmo 
instrumento, sendo dado pelo padrão das medidas efetuadas de um mesmo valor. 
� RELAÇÃO SINAL/RUÍDO 
 É definida pela relação entre a potência de um sinal que está sendo indicado na saída e a 
potência do sinal de ruído como sinal entrante. 
� ESTABILIDADE 
 Define-se estabilidade pela capacidade do instrumentoem retornar a uma situação 
permanente depois de receber um sinal qualquer. 
 
� RESPOSTA DE FREQÜÊNCIA 
 É a faixa definida do espectro que determinado equipamento pode reproduzir. 
 
ACELERÔMETRO 
 
Um acelerômetro é um transdutor que converte uma 
aceleração aplicada sobre ele em uma grandeza elétrica. A 
grandeza utilizada para representação é "g", que é em 
função da gravidade da Terra, ou seja, 1g é 
aproximadamente 9,8m/s2. Esta unidade(g) oferece uma 
noção mais intuitiva da grandeza das acelerações. 
 
Existem três tipos de acelerômetros: 
• Acelerômetro Mecânico; 
• Acelerômetro Eletromecânico; 
• Acelerômetro Piezoelétricos 
 
 
 
 
 
 
 
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ACELERÔMETRO ELETROMECÂNICO 
Ele baseia-se em uma massa m que sofre uma força F devido a aceleração F = m.a. O sistema 
e composto por um galvanômetro de ferro móvel com um pêndulo em lugar de ponteiro. No 
pêndulo está presa a massa m e próximo a extremidade há um sensor capacitivo que monitora 
a posição x da massa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O modelo MMA 7361L é triaxial, ou seja, permite leitura simultânea de aceleração em três 
direções ortogonais com sinal de tensão elétrica analógica de saída em modo contínuo, porém 
variável no tempo. Este dispositivo pode atuar dentro de uma faixa de temperatura que vai de - 
40ºC até 85ºC. Sua fabricação utiliza a tecnologia MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems – 
Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos), que possibilita a montagem de estruturas mecânicas e 
eletrônicas em circuitos integrados de grande desempenho. Essas estruturas incluem 
capacitores internos ao módulo que contém partes móveis que por inércia resistem ao 
movimento. 
Conforme se estabelece o movimento acelerado na direção considerada, a distância entre as 
placas se altera e a capacitância dos dois capacitores (1 e 2) varia. Ao monitorar a variação da 
capacitância em função da rapidez de movimentação da placa móvel, o dispositivo irá medir a 
aceleração em função do tempo. Um processador eletrônico monitora essas variações de 
capacitância e obtém a aceleração. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CONVERSOR AD 
 
Os sinais obtidos por sensores ou 
transdutores são normalmente convertidos 
em grandezas elétricas analógicas, isto 
quer dizer que são contínuos no tempo 
podendo assumir valores dentro de uma 
faixa, conhecida como escala. 
Os computadores trabalham de uma forma 
digital, isto é, seus dados são armazenados 
de uma forma binária com apenas dois 
níveis bem distintos de estados. Para que 
um sinal analógico seja trabalhado em um 
sistema computacional é necessário um 
processo de conversão onde o sinal e 
amostrado e comparado com um valor 
binário dentro de certa escala permitindo 
desta forma uma aproximação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MICROCONTROLADOR 
 
Um microcontrolador é um dispositivo utilizado para controlar e monitorar funções durante um 
processo. A partir do advento dos circuitos integrados TTL, pode-se delinear três gerações no 
que diz respeito à implementação de controladores. Na primeira geração estão os projetos 
envolvendo circuitos integrados TTL, na sua maioria. O alto consumo de energia, a grande 
quantidade de chips envolvidos e a dificuldade em se realizar reengenharia tornaram a 
segunda geração atraente aos projetistas. 
 
O advento dos microprocessadores tornou versátil o projeto de circuitos destinados ao controle 
é a segunda geração de controladores. Boa parte das funções, antes implementadas por 
hardware, passou a ser implementadas por software. A terceira geração veio para integrar em 
um único chip boa parte dessa estrutura. Microcontroladores integram as funções de um 
microprocessador, memória de dados e de instruções e ainda, dependendo da complexidade, 
portas seriais e paralelas bidirecionais, conversores A/D, timers, watchdog e outros. 
 
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MICROCONTROLADOR 8051 
O microcontrolador 8051 pode incorporar memória de programa e dados internamente com a 
possibilidade de expansão de até 64K bytes de programa e mais 64Kbytes de dados. Permite o 
acesso a portas internas e I/O, canal de comunicação UART full duplex, interrupções com 
estrutura nesting com 5 fontes mascaráveis e dois níveis de prioridade, timers/counters de 16 
bits, oscilador interno, frequência de clock típica de 12MHz. 
A família MSC-51 permite facilidades de software que permitem a execução de complexas 
operações aritméticas e lógicas (multiplicação, divisão, permita e deslocamento de bits, etc.). 
Esta família trabalha com bancos de registradores nominais e também com bits endereçáveis 
na RAM. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Normalmente o 8051 possui as seguintes 
características: 
 
CPU de 8-bits otimizada para aplicações de 
controle 
Processamento Boleando Amplo 
Espaço de endereçamento de Memória de 
Programa de 64K 
Espaço de endereçamento de Memória de Dados 
de 64K 
4K bytes de Memória de Programa (ROM) 
128 bytes de RAM de Dados 
32 linhas de I/O programáveis 
Dois contadores/timers de 16-bits 
UART Full duplex 
Estrutura de interrupção com dois níveis de 
prioridade 
Oscilador de relógio 
 
Interface Serial no 8051 No 8051, a interface 
serial é do tipo Full-Duplex. Isto significa que o 
microcontrolador pode receber e transmitir dados 
simultaneamente, sendo que para tal existe um 
registro especial para este fim. 
 
Este registro chama-se SBUF (Serial Buffer) e uma escrita no mesmo implica em automática 
transmissão do dado escrito, assim como um dado que chegue ao pino de recepção, 
independente do controle do usuário (desde que o canal serial esteja habilitado e corretamente 
ajustado). Existem na realidade, dois registros com o mesmo nome SBUF. Sendo um para 
recepção e outro para transmissão. O reconhecimento é feito pelo sistema através das 
instruções que acessarão o mesmo. 
 
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COMUNICAÇÃO RS-232 PARA O 8051 
 
 
 
As comunicações com o PC e com o ROBO são possíveis através do padrão RS-232 ao invés 
de níveis TTL presentes nos pinos do chip. A comunicação RS-232 nasceu da necessidade de 
criar um padrão para a comunicação serial, através da definição de níveis de tensão e de 
impedância para a transmissão de dados, permitindo que equipamentos incompatíveis entre si 
pudessem ser interligados. Para que a comunicação possa ser efetuada entre o PC e o 
microcontrolador será necessária a transformação do padrão TTL (natural ao microcontrolador) 
para o padrão RS-232 (padrão do PC). 
 
VANTAGENS DO 8051 
 
� Popular: prontamente disponível e amplo suporte. Gama completa de produtos de 
suporte está disponível gratuita e comercialmente. 
 
� Rápido e eficaz: a arquitetura se correlaciona de perto com o problema sendo 
solucionados (sistemas de controle). Instruções especializadas significam que menos 
bytes precisam ser buscados e menos jumps condicionais são processados. 
 
� Baixo custo: alto nível de integração do sistema em um único componente. Poucos 
componentes são necessários para se criar um sistema que funcione. 
 
� Ampla gama de produtos: uma única família de microcontroladores cobre as opções 
que outros fornecedores só conseguem cobrir com um número razoável de diferentes e 
incompatíveis famílias. Desse modo, o 8051 proporciona economia real em termos de 
custo de ferramentas, treinamento e suporte para software. 
 
� Compatibilidade: opcodes e código binário são os mesmos para todas as variações do 
8051, diferente de outras famílias de microcontroladores. 
 
� Multi-Sourced: mais de 12 fabricantes, centenas de variedades. 
 
� Aperfeiçoamentos constantes: melhorias na manufatura aumentam a velocidade e 
potência anualmente. Há ainda versões de 16bits vindo de diversos fabricantes.