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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
ROBÔ QUADRÚPEDE COM PINÇA por
Leo Euclides de Souza Neto
Itajaí (SC), julho de 2014
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
ROBÔ QUADRÚPEDE COM PINÇA
Área de Robótica por
Leo Euclides de Souza Neto
Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho Técnico-científico de Conclusão do Curso de Ciência da Computação para análise e aprovação. Orientador: Adhemar Maria do Valle Filho, Dr.
Itajaí (SC), julho de 2014
RESUMO
DE SOUZA NETO, Leo Euclides. Robô quadrúpede com pinça. Itajaí, 2013. 57 folhas. Trabalho Técnico-científico de Conclusão de Curso (Graduação em Ciência da Computação) – Centro de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar, Universidade do Vale do Itajaí, Itajaí, 2013. A Robótica vem tornando-se cada dia mais comum por conta do crescimento na utilização de maquinas para substituir pessoas em suas atividades diárias, muitas vezes com maior desempenho, atingindo ambientes de grandes e pequenas empresas, ou mesmo o ambiente doméstico. Outra vertente da automação é o acesso a locais de difícil acesso, seja por falta de espaço físico ou pela periculosidade envolvida. Atualmente é possível comprar placas de prototipação e construir um robô para os mais variados ambientes e tarefas em casa. Utilizando estes conceitos, este trabalho pretende construir um protótipo de um robô quadrúpede, capaz de se locomover de forma autônoma respondendo a comandos enviados por um dispositivo equipado com tecnologia Bluetooth. Este projeto utiliza como base um protótipo desenvolvido em um trabalho técnico de conclusão de curso, tendo como objetivos específicos a inclusão de um braço mecânico e o desenvolvimento de um aplicativo de controle remoto. O braço mecânico possui uma pinça na extremidade visando adicionar a capacidade de manipular pequenos objetos. O mesmo foi construído em acrílico e utilizou servomotores para desempenhar seus movimentos. O controle remoto foi desenvolvido em Java e compilado para o sistema operacional Android, utilizando uma conexão Bluetooth para enviar os comandos ao robô. Palavras-chave: Robótica. Arduino. Bluetooth.
ABSTRACT
Robotics is becoming more common due to the increase in the use of machines to replace people in their daily activities, often with higher performance, reaching environments of large and small companies, or even the home environment. Another aspect of automation is accessing hard to reach places, either for lack of physical space or the danger involved. It’s currently possible to buy prototyping boards and build a robot for various environments and tasks at home. Using these concepts, this paper intends to build a prototype of a quadruped robot, able to walk independently responding to commands sent by a device equipped with Bluetooth technology. This project uses a prototype previously developed as a basis, with the specific goal to include a mechanical arm and a remote control application. The mechanical arm has a clamp on the end in order to add the ability to manipulate small objects. It was built in acrylic and uses servomotors to perform its movements. The remote control was developed in Java and compiled for the Android operating system, using a Bluetooth connection to send commands to the robot. The goal of the project is to enable the base robot prototype to be controlled remotely and have the ability to manipulate small objects. Keywords: Robotics. Arduino. Bluetooth.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Posicionamento de um servomotor. .......................................................................... 14
Figura 2. Força e velocidade de servomotores. ........................................................................ 15
Figura 3. Modelagem do robô. ................................................................................................. 18
Figura 4. Protótipo do circuito do robô. ................................................................................... 18
Figura 5. Robô construído sem circuito. .................................................................................. 19
Figura 6. Circuito montado no robô. ........................................................................................ 20
Figura 7. Braço mecânico. ........................................................................................................ 26
Figura 8. Veículo controlado remotamente. ............................................................................. 27
Figura 9. Braço mecânico em PVC .......................................................................................... 28
Figura 10. Robô cortador de grama. ......................................................................................... 29
Figura 11. Protótipo do robô em acrílico. ................................................................................. 31
Figura 12. Perna e pé em acrílico. ............................................................................................ 32
Figura 13. Protótipo do braço mecânico em acrílico. ............................................................... 33
Figura 14. Protótipo do robô com braço mecânico em acrílico................................................ 34
Figura 15. Foto do protótipo do robô construído...................................................................... 34
Figura 16. Projeto elétrico. ....................................................................................................... 35
Figura 17. Tela do aplicativo de controle remoto no estado “Aguardando”. ........................... 38
Figura 18. Tela do aplicativo de controle remoto no estado “Andando”. ................................ 38
Figura 19. Tela do aplicativo de controle remoto no estado “Manipulando”. ......................... 39
Figura 20. Fluxograma do código embarcado. ......................................................................... 41
Figura 21. Pé de acrílico dobrado. ............................................................................................ 43
Figura 22. Braço mecânico com pinça. .................................................................................... 44
Figura 23. Plataforma do robô. ................................................................................................. 50
Figura 24. Primeira seção da perna. ......................................................................................... 51
Figura 25. Segunda seção da perna. ......................................................................................... 52
Figura 26. Base do braço robótico. ........................................................................................... 53
Figura 27. Seção central do braço robótico. ............................................................................. 54
Figura 28. Base da Pinça. ......................................................................................................... 55
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Comparação entre servomotores............................................................................... 15
Tabela 2. Comparação entre trabalhos similares. ..................................................................... 29
Tabela 3. Testes de movimentação ........................................................................................... 42
LISTA DE QUADROS
Quadro 1. Comandos do controle remoto. ................................................................................ 40
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ACL Asynchronous Connection-Less CC Corrente Contínua FHS Frequency Hopping Synchronization FH-CDMA Frequency Hopping – CodeDivision MultipleAccess FH-TDD Frequency Hopping – TimeDivision Duplex GNU General Public License HCI Host Controller HTC High Tech Computer Corporation ISM Industrial Scientifical Medical JVM Java Virtual Machine LED Light-Emitting Diode L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol LMP Link Manager Protocol PAN Personal Area Network PCB Printed Circuit Board PIN Personal Indentification Number PUCRS Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul SAFER+ Secure And Faster Encryption Routine SCO SynchronousConnection-Oriented SDK Software Development Kit SPP Serial Port Profile TTC Trabalho Técnico-científico de Conclusão de Curso TTL Transistor-Transistor Logic UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter UNIVALI Universidade do Vale do Itajaí
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 9
1.1 PROBLEMATIZAÇÃO ..................................................................................................... 10
1.2 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA .................................................................................. 10
1.2.1 Solução Proposta .......................................................................................................... 11
1.3 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 11
1.3.1 Objetivo Geral .............................................................................................................. 11
1.3.2 Objetivos Específicos .................................................................................................... 11
1.4 METODOLOGIA ............................................................................................................. 11
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................................ 12
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ..................................................................................... 13
2.1 ELETRÔNICA .................................................................................................................. 13
2.1.1 Servomotores ................................................................................................................ 13
2.1.2 Arduino ......................................................................................................................... 15
2.1.3 Shield ............................................................................................................................ 16
2.2 ROBÓTICA ...................................................................................................................... 17
2.3 PROJETO BASE .............................................................................................................. 17
2.4 BLUETOOTH .................................................................................................................. 20
2.4.1 Rede .............................................................................................................................. 22
2.5 ANDROID ........................................................................................................................ 23
2.6 PROJETOS SIMILARES .................................................................................................. 24
2.6.1 Braço robótico com controle remoto Bluetooth ........................................................... 24
2.6.2 Controle de sistemas embarcados por sistema operacional móvel Android via Bluetooth ................................................................................................................................... 26
2.6.3 Sistema de controle de braço mecânico automatizado ................................................. 27
2.6.4 Desenvolvimento de um protótipo de robô cortador de grama .................................... 28
2.6.5 Comparativo ................................................................................................................. 29
3 DESENVOLVIMENTO .................................................................................................... 31
3.1 FÍSICO ............................................................................................................................. 31
3.1.1 Projeto Elétrico ............................................................................................................. 35
3.2 LÓGICO ........................................................................................................................... 36
3.2.1 Controle remoto ............................................................................................................ 36
3.2.2 Código embarcado ........................................................................................................ 40
3.3 TESTES ............................................................................................................................ 41
3.4 PROBLEMAS ENCONTRADOS ...................................................................................... 42
3.4.1 Peças de acrílico ........................................................................................................... 42
3.4.2 Braço mecânico ............................................................................................................ 43
3.4.3 Bateria .......................................................................................................................... 44
4 CONCLUSÕES .................................................................................................................. 45
4.1 TRABALHOS FUTUROS ................................................................................................. 46
APÊNDICE A. PEÇAS DO ROBÔ COM MEDIDAS ........................................................ 50
A.1 PLATAFORMA ................................................................................................................ 50
A.2 PRIMEIRA SEÇÃO DA PERNA ...................................................................................... 51
A.3 SEGUNDA SEÇÃO DA PERNA ...................................................................................... 52
A.4 BASE DO BRAÇO ROBÓTICO ...................................................................................... 53
A.5 SEÇÃO CENTRAL DO BRAÇO ROBÓTICO ................................................................. 54
A.6 BASE DA PINÇA ............................................................................................................. 55
9
1 INTRODUÇÃO
Termo criado em 1942 pelo escritor de ficção científica Isaac Asimov (1920 – 1992), a
Robótica é o ramo da tecnologia que abrange mecânica, eletrônica e computação. Tal ideia
surgiu em uma de suas histórias intitulada “Runaround“, na qual se refere ao estudo e à
utilização de robôs. Nos dias de hoje, tais máquinas imaginadas pelo escritor são utilizadas
para diversas finalidades, seja na indústria, seja de forma doméstica, ou até mesmo para o
lazer. Além disso, já é possível a criação de robôs caseiros, através do uso de plataformas de
prototipação de baixo custo e bom desempenho como o Arduino (KRETZSCHMAR, 2012).
Equipada com um micro controlador Atmel AVR, o Arduino é uma plataforma
utilizada para prototipação eletrônica. Esta foi criada em 2005 por Massimo Banzi, David
Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino e David Mellis, tendo por escopo oferecer uma
ferramenta de baixo custo e que facilitasse o acesso das pessoas comuns à robótica, sem a
necessidade de grandes investimentos (ARDUINO TEAM, 2012a).
Basicamente, o Arduino é constituído de uma placa única, com entrada e saída
embutidas, possibilitando o acoplamento de outras placas, conhecidas como shields, utilizadas
para ampliar suas funcionalidades iniciais (ARDUINO TEAM, 2013a).
Kretzschmar (2012) elaborou e construiu um protótipo de um robô autônomo que,
utilizando uma placa Arduino e servomotores, é capaz de se locomover em linha reta e girar
sobre seu próprio eixo. A locomoção do robô é executada por um script em loop, de forma
que tais movimentos são executados automaticamente sempre que o robô é posto em
funcionamento.
Deste modo, tendo o objetivo de tornar a movimentação do protótipo de Kretzschmar
mais dinâmica, o presente trabalho tem como finalidade desenvolver um aplicativo de
controle capaz de comandar o robô à distância, realizando os movimentos conforme o desejo
do controlador, e não mais de forma automática. Para alcançar o objetivo almejado, propõe-se
utilizar uma conexão Bluetooth entre o robô e um smartphone com sistema operacional
Android.
Ademais, será realizada a inclusão de um braço mecânico com uma pinça, este novo
membro também será controlado pelo aplicativo, com o intuito de adicionar ao robô
capacidade de pegar e segurar pequenos objetos, possibilitando que este seja empregado em
tarefas simples a serem efetuadas em locais visíveis, porém de difícil acesso.
No tocante aos smartphones, estes são dispositivos móveis com funcionalidades
avançadas, permitindo a execução de aplicativos que estendem suas funcionalidades básicas.
10
O sistema operacional do smartphone é o responsável por executar tais aplicativos.
Atualmente os sistemas operacionais mais comuns são o Android do Google e o iOS da
Apple. Estes dois representam, juntos, mais da metade do mercado (STRATEGY, 2013).
Com relação à programação, será utilizada a linguagem Java, a qual tem como foco no
carregamento mínimo de dependências, com o intuito de “escrever uma vez, executar em
qualquer lugar”, através da Java Virtual Machine (JVM), independente da estrutura
computacional. A linguagem de programação anteriormente mencionada é utilizada para o
desenvolvimento de aplicativos no sistema operacional Android. Existem, atualmente, mais
de 700 mil aplicativos desenvolvidos (ORACLE, 2013).
No que concerne ao envio dos comandos por meio de controle remoto, objetiva-se a
utilização do Bluetooth. Tal tecnologia, empregada para a comunicação em curtas distâncias,
é simples e segura. Esta tem como pontos fortes a robustez, o baixo consumo de energia e o
baixo custo. As especificações desta tecnologia permitem que inúmeros dispositivos
diferentes possam se comunicar facilmente. Basicamente, qualquer conjunto de dispositivos
Bluetooth, fisicamente próximos, pode estabelecer uma conexão e se comunicar através dela.
Vale frisar que a distância recomendada para o bom funcionamento da conexão é de até 10
metros. Todavia, existe a possibilidade de ajustar os dispositivos pra que possam alcançar
maiores distâncias (BLUETOOTH, 2013).
Por fim, com fundamento nas razões acima expostas, torna-se imprescindível salientar
que o presente trabalho tem como grande objetivo dar continuidade ao projeto proposto e
apresentado por Kretzschmar (2012), inserindo-lhe novas tecnologias, o que irá conferir ainda
mais funcionalidade e utilidade ao protótipo.
1.1 PROBLEMATIZAÇÃO
1.2 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
Kretzschmar produziu, em 2012, um robô quadrúpede capaz de se locomover de forma
autônoma. Sua movimentação segue padrões pré-definidos, programados anteriormente na
placa de prototipação Arduino (KRETZSCHMAR, 2012).
Desta forma, o robô atingiu o propósito educacional, mostrando a aplicação de
conceitos como Eletrônica, Robótica, entre outros. Porém não era capaz de realizar nenhuma
função além daquelas previamente carregadas em sua placa de prototipação Arduino.
Havendo a necessidade de novos movimentos, é preciso paralisar o robô, realizar a
11
codificação dos novos movimentos e reenviar o novo código ao mesmo (KRETZSCHMAR,
2012).
1.2.1 Solução Proposta
Este projeto visa adicionar um braço mecânico ao robô e ampliar sua capacidade de
movimentos, possibilitando o envio de comandos via tecnologia Bluetooth, através de um
aplicativo compatível com sistema operacional Android.
O braço mecânico tem o objetivo de possibilitar que o robô manipule e ou suspenda
um pequeno objeto, ampliando sua capacidade de movimento que hoje se limita a
movimentos básicos de deslocamento.
O aplicativo será responsável por possibilitar a manipulação do robô e seu braço
mecânico, enviando os comandos a um shield Bluetooth acoplado ao robô. O
desenvolvimento será realizado em Java, sendo compilado para execução no sistema
operacional Android, utilizando como meio de comunicação a tecnologia Bluetooth.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Adicionar um braço mecânico ao robô de Kretzschmar (2012) e desenvolver um
aplicativo compatível com o sistema operacional Android, capaz de controlar a movimentação
do robô e seu braço mecânico, através da tecnologia Bluetooth.
1.3.2 Objetivos Específicos
Analisar e documentar projetos similares;
Utilizar ou reproduzir o robô de Kretzschmar (2012);
Adicionar um braço mecânico com pinça;
Desenvolver os algoritmos para os movimentos e controle do robô;
Realizar testes de movimentação e manipulação do braço mecânico; e
Documentar o trabalho desenvolvido por meio de relatório e artigo científico.
1.4 METODOLOGIA
Este projeto está dividido em etapas e passos, dispostos com o objetivo de que ao final
seja possível apresentar um trabalho sucinto e com resultados bem definidos.
A primeira etapa desse projeto possui seis fases, sendo elas:
12
1. Tema: um tema foi selecionado com o auxilio do orientador do projeto. A
seguir, esta ideia foi aprovada por dois integrantes do corpo docente no
momento da pré-proposta, sendo que tais integrantes, juntamente ao orientador,
irão formar a banca avaliadora do TTC (Trabalho Técnico-científico de
Conclusão de Curso) I e II;
2. Levantamento Bibliográfico: após a definição do tema, foi realizado um
levantamento da bibliografia necessária para elaborar a fundamentação teórica
do projeto;
3. Leitura de Documentação: os conteúdos pesquisados na etapa anterior foram
analisados, separando tais conteúdos de fontes confiáveis, sendo realizada a
leitura e a compreensão dos materiais dos diferentes autores;
4. Análise e Outros Projetos: foram analisados projetos similares que pudessem
nortear o entendimento e passar conceitos a serem incorporados a este projeto;
5. Modelagem: foi efetuada uma modelagem de média fidelidade, a fim de
apresentar um modelo de como será o protótipo;
6. Construção do Documento Textual: este documento foi criado seguindo as
regras da ABNT conforme estipulado pela instituição de ensino.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este documento está estruturado em quatro capítulos:
O Capítulo 1 (Introdução) apresenta o trabalho de forma sucinta, mostrando os
conceitos dos principais temas e uma explicação resumida sobre o trabalho utilizado como
base para este projeto, assim como os objetivos e a metodologia utilizada.
O Capítulo 2 (Fundamentação Teórica) apresenta o estudo dos principais temas como
Eletrônica e seus componentes, Robótica, Arduino e Java. Os projetos similares também são
apresentados neste capítulo.
O Capítulo 3 (Desenvolvimento) apresenta a construção do protótipo, a programação e
os testes conforme projeto anterior.
O Capítulo 4 (Conclusões) apresenta os resultados obtidos com a realização do projeto,
bem como as técnicas utilizadas e as dificuldades encontradas.
13
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para a idealização e execução dos novos recursos do protótipo, é necessário ter um
domínio de diversas áreas de conhecimento. Dentre os assuntos necessários para a criação dos
novos recursos estão: a eletrônica, a robótica e as linguagens necessárias para a programação
do aplicativo de controle do robô e seu braço mecânico.
A seguir, são apresentados os pontos cujo conhecimento será fundamental para a
realização das modificações aqui propostas.
2.1 ELETRÔNICA
A eletrônica é o ramo da Física que estuda o controle do fluxo de elétrons entre
diferentes dispositivos elétricos ou eletrônicos, de forma analógica e ou digital, objetivando
armazenamento, representação, processamento e transmissão (MALVINO, 1997).
Os primeiros relatos sobre eletricidade datam por volta de 600 a.C, quando a
capacidade de atrair pequenos objetos com um âmbar atritado foi percebida pelo filósofo
grego Tales de Mileto. Acredita-se que suas teorias tenham sido fundamentadas por volta de
1730 a partir das teorias de Benjamin Franklin, que postulavam a eletricidade como o fluxo
invisível que “escoa” entre corpos de diferentes cargas elétricas. Em 1949 a eletrônica foi
revolucionada com a invenção do transístor por John Barbeen, Walter Bratain e Willian
Shokley (LUQUETA, 1994).
Diariamente nos deparamos com a eletrônica em suas mais variadas apresentações,
desde o controle do portão elétrico até o marcador de combustível do carro, sistemas
informatizados de bancos, mercados e outros funcionam graças ao advento da eletrônica que
possibilitou a invenção dos micro-computadores.
Dos princípios e modelos da eletrônica aqui fundamentados, serão utilizados
principalmente o armazenamento e transmissão em placas de prototipação e o fluxo de
eletricidade em motores elétricos além dos conceitos já abordados por Kretzschmar (2012).
2.1.1 Servomotores
Servomotores são atuadores elétricos rotativos com controle de posicionamento
angular por meio de tensão. Um servomotor possui um fio para transmissão do sinal elétrico,
que define seu posicionamento de acordo com o comprimento pulso enviado, também
conhecido como “Modulação de Pulso Codificado“ (SEATTLE ROBOTICS SOCIETY,
2013).
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O controlador observa o fio se transmissão, alterando o posicionamento do
servomotor, que pode variar entre 0 e 180 graus, conforme a alteração no comprimento do
pulso. Este funcionamento é exemplificado na Figura 1 (SEATTLE ROBOTICS SOCIETY,
2012).
Figura 1. Posicionamento de um servomotor.
Fonte: SEATTLE ROBOTICS SOCIETY, 2012.
Existem modelos para as mais variadas aplicações, desde grandes máquinas a
pequenos robôs, variando em torque, velocidade, peso e consumo de bateria conforme o
material e tamanho de suas engrenagens internas (SEATTLE ROBOTICS SOCIETY, 2013).
As principais características que diferenciam os servos são o torque e velocidade,
medidos em Kg/cm e Graus/s, respectivamente. O torque representa o peso que é possível
suspender a uma determinada distância do centro de seu eixo, já a velocidade de movimento
representa quanto tempo leva para rotacionar o eixo em um determinado número de graus.
Esses conceitos são ilustrados na Figura 2 (BH MODELISMO, 2009).
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Figura 2. Força e velocidade de servomotores.
Fonte: BH MODELISMO, 2009.
É possível, em alguns servomotores, aumentar seu torque e velocidade pela mudança
da tensão de entrada, permitindo alterar seu modo de funcionamento. A tensão típica de
funcionamento de um servomotor de pequeno porte é de 4.8V, mas pode chegar a 6.0 Volts
(BH MODELISMO, 2009).
Para realização do presente projeto foram pesquisados quatro tipos diferentes de
servomotores por possuírem diferentes particularidades entre si, sendo suas principais
características apresentadas na Tabela 1, considerando uma alimentação de 6V.
Tabela 1. Comparação entre servomotores
Servomotor Torque Peso Angulação de Trabalho Servomotor MG945 10Kg/cm 55g 180º em 0,69 segundos Hobbico CS60 Standard 3,4Kg/cm 44,9g 180º em 0,15 segundos Servomotor MG90S 2Kg/cm 13,4g 180º em 0,1 segundos Servomotor SG90 1,8Kg/cm 9g 180º em 0,1 segundos
Fonte: Servo Database (2013).
2.1.2 Arduino
O Arduino é uma plataforma de prototipação de código aberto que possibilita o
carregamento de softwares customizados, criando a interatividade de objetos e ou ambientes.
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O Arduino possui uma infinidade de componentes que auxiliam na criação de projetos, como
sensores, LED, motores e outros recursos físicos (ARDUINO TEAM, 2012a).
O hardware do Arduino consiste em uma plataforma física para prototipação, que
varia de acordo com cada modelo e configuração, porém mantendo as mesmas diretrizes de
prototipação. De acordo com a documentação oficial do Arduino (2012), existem diversos
modelos de placas de prototipação Arduino já produzidas, cada uma com suas configurações
específicas e usos diversos (ARDUINO TEAM, 2012b).
O Software Arduino é uma aplicação multiplataforma de código fonte aberto utilizado
para escrever programas para a placa. Este possui vários recursos comuns com outros
ambientes de desenvolvimento, tais como realce de sintaxe, parênteses correspondentes e
identação automática. Deste modo, possibilita a escrita e carregamento de programas na placa
de uma forma simples, sem a necessidade de utilização de linhas de comando (ARDUINO
TEAM, 2012d).
2.1.3 Shield
Shield é a denominação dada as placas de extensão específicas para a realização de
uma determinada tarefa, que quando acopladas à placa de prototipação, expande sua
capacidade de recursos e funções, facilitando o desenvolvimento de uma determinada tarefa
(ARDUINO TEAM, 2012c).
2.1.3.1 Shield Bluetooth
O shield Bluetooth possui um módulo Bluetooth integrado de série, e pode ser usado
com Arduino e algumas outras plataformas para comunicação serial sem fio. No caso do
Arduino, pode-se escolher dois pinos digitais (D0 a D7) como portas seriais para
comunicação com o shield Bluetooth. O shield também possui dois conectores Grove, sendo
um digital e outro analógico, utilizados para a instalação de módulos Grove (SEED STUDIO,
2013).
O shield possui uma distância de comunicação de até 10 metros sem obstáculos com a
sua antena PCB integrada. Também possui uma infinidade de comandos de configuração,
além de uma Interface UART (TTL), utilizando protocolo Bluetooth 2.0 com taxa de
transmissão programável (firmware SPP instalado). Este shield permite a comunicação entre
dispositivo/shield ou shield/shield, se necessário, podendo criar vasta gama de possibilidades
de aplicabilidade (SEED STUDIO, 2013).
17
2.2 ROBÓTICA
O termo “robótica” refere-se ao estudo e a utilização de robôs. Este termo foi utilizado
pela primeira vez por Isaac Asimov, um conceituado cientista e escritor norte-americano. De
certa forma, a ideia seria a substituição do homem pela máquina, na qual as tarefas antes
efetuadas por seres humanos pudessem ser efetuadas por robôs (CITI, 2012).
A palavra robot, provém do idioma tcheco e significa “trabalho forçado”. Este termo
foi criado pelo escritor tcheco Karel Capek no ano de 1920. Um robô trata-se de uma máquina
que, de forma independente, efetua uma determinada ação, necessitando de observação
contínua por parte de um indivíduo, diferentemente de uma máquina comum, que precisa ser
comandada à distância por alguém de forma contínua (CITI, 2012).
George Devol e Joe Engleberger foram os criadores do primeiro robô industrial
chamado Unimates, isto tudo no final da década de 50. George Devol tomou posse das
primeiras patentes de robôs comerciais, onde os mesmos eram designados a mover coisas de
um local para o outro, já Joe Engleberger, considerado o “pai da robótica”, obteve patentes
registradas por conta da construção do primeiro robô comercial (CITI, 2012).
2.3 PROJETO BASE
Este trabalho é uma continuação de um projeto anterior que foi desenvolvido por
Chrisnamurth Kretzschmar como Trabalho Técnico Cientifico de Conclusão de Curso. Neste,
o referido autor teve como objetivo a construção de um robô quadrúpede de baixo custo, que
pudesse ser comandado por um Arduino (KRETZSCHMAR, 2012).
O robô de Kretzschmar (2012) conseguiu efetuar a locomoção para qualquer direção
em ambientes controlados, mas suas ações eram pré-programadas em placa de prototipação. O
controle para a movimentação foi desenvolvido através de uma placa Arduino, na qual
estavam ligados os servomotores, que executavam e controlavam os movimentos das quatro
pernas.
Como passo inicial, o projeto foi idealizado e os materiais para a construção, como
Placa de Prototipação e Servos, foram escolhidos. Antes de construção do robô foi modelado
no software Sketch Up conforme a Figura 3 (KRETZSCHMAR, 2012).
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Figura 3. Modelagem do robô.
Fonte: Kretzschmar (2012)
Em seguida, foi efetuada a modelagem do circuito elétrico no Software Fritzing
conforme a Figura 4, para viabilizar a construção do circuito elétrico do robô, verificando as
disposições e colocações dos dispositivos (KRETZSCHMAR, 2012).
Figura 4. Protótipo do circuito do robô.
Fonte: Kretzschmar (2012)
Com as modelagens criadas, iniciou-se a construção do projeto com o corte das peças
de madeira, acoplamento dos servos, montagem das pernas e acoplamento de todas as peças à
estrutura, deixando a plataforma pronta para receber o circuito conforme a Figura 5
(KRETZSCHMAR, 2012).
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Figura 5. Robô construído sem circuito.
Fonte: Kretzschmar (2012)
Após a plataforma pronta, foi possível fazer a instalação do circuito sobre ela,
conforme a Figura 6, finalizando assim a parte física do robô e deixando-o preparado para
receber a programação a ser executada (KRETZSCHMAR, 2012).
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Figura 6. Circuito montado no robô.
Fonte: Kretzschmar (2012)
A programação do protótipo foi efetuada com o software Arduino, onde foram
programados movimentos que pudessem fazer com que o robô quadrúpede pudesse andar e
girar para qualquer direção, porém tudo pré-programado em sua memória (KRETZSCHMAR,
2012).
2.4 BLUETOOTH
Bluetooth é uma tecnologia sem fio de baixo custo e consumo, desenvolvida
originalmente para substituir cabos, de forma que permita a conexão entre dispositivos. Esta
conexão é efetuada sem a necessidade de instalação de drivers. Logo, esta tecnologia tem
evoluído para um padrão sem fio que possibilita a conexão entre dispositivos habilitados,
fazendo troca de informação a fim de formar as chamadas PANs (Personal Area Networks).
Sua velocidade na versão 2 pode alcançar até 3 Megabits por segundo, atingindo 25 Megabits
por segundo nas versões 3 e 4. (MILLER, 2001).
Como essa faixa é aberta a qualquer meio de comunicação, é necessário garantir que o
sinal do Bluetooth não gere interferência. Ele possui um esquema de comunicação FH-CDMA
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(Frequency Hopping – Code Division Multiple Access), que permite tal proteção, fazendo
com que a frequência seja dividida em vários canais. O dispositivo estabelece a conexão
mudando de canal frequentemente, de forma rápida, também chamado de "salto de
frequência" (frequency hopping). O Bluetooth pode alternar em até 79 frequências (ou 23 em
alguns países), cada uma espaçada da outra por 1MHz dentro do ISM (MORROW, 2002).
Como o Bluetooth trabalha em “Full duplex“ (enviando e recebendo informações), ele
separa a transmissão entre blocos para transmitir e blocos para receber, um esquema
denominado FH/TDD (Frequency Hopping/TimeDivision Duplex). Para transmissão dos
dados o Bluetooth faz uso de dois padrões: SCO (SynchronousConnection-Oriented) e ACL
(Asynchronous Connection-Less). O SCO é utilizado geralmente em aplicações de envio
contínuo de dados. O SCO não permite a retransmissão de pacotes de dados perdidos. Quando
ocorre perda em uma transmissão de voz, por exemplo, o dispositivo receptor acaba
reproduzindo um som com ruído. A taxa de transmissão de dados no modo SCO é de 432
kbps, sendo de 64 kbps para voz (MILLER, 2001).
Já o padrão ACL, estabelece uma ligação entre um dispositivo mestre e os dispositivos
escravos existentes em sua rede. Esta ligação é assíncrona, já que utiliza os blocos
previamente livres. Ao contrário do SCO, o ACL permite o reenvio de pacotes de dados
perdidos, garantindo a integridade das informações trocadas entre os dispositivos. A
velocidade no modo ACL é de até 721 Kbps (MORROW, 2002).
As conexões Bluetooth utilizam protocolos que contém o padrão de procedimentos e
troca de dados entre dispositivos Bluetooth. O Rádio é a interface entre o canal no ar e a
Banda-base. A camada de banda-base é responsável pela codificação e decodificação do
canal, transferindo a digitalização os sinais recebidos do Rádio para o Link Controller. O Link
Controller é responsável por estabelecer e manter os links entre as unidades Bluetooth. O Link
Manager Protocol (LMP) lida com o gerenciamento da Piconet e a configuração do link,
assim como os procedimentos a segurança, como encriptação e autenticação (MILLER,
2001).
A pilha de protocolos Bluetooth pode ser implementada de três formas, utilizando o
padrão de arquitetura de dois processadores, arquitetura embarcada ou de um único
processador. No modelo de dois processadores, o host Bluetooth reside sobre o PC enquanto
as camadas mais baixas do protocolo são encapsuladas em um módulo Bluetooth. Essa
arquitetura é geralmente utilizada em módulos Bluetooth separados ou dongles USB para
computadores pessoais e notebooks. A segunda aproximação ainda usa dois processadores,
mas a maioria das camadas do protocolo está no processador alvo. Essa arquitetura é
22
geralmente utilizada em dispositivos com recursos limitados, tais como telefones celulares e
handhelds. A terceira arquitetura é de um único processador, usada em soluções com um
único chip (MORROW, 2002).
Os perfis Bluetooth contêm regras de como as aplicações devem usar a pilha de
protocolos Bluetooth. Essas regras descritas nos perfis garantem a interoperabilidade entre
dispositivos independentemente de seus fabricantes. Todos os dispositivos que
implementarem certas características o farão de acordo com o padrão especificado. Perfis
podem ser construídos em cima de outros perfis permitindo a reutilização de características e
funcionalidades já descritas em outros perfis. Os dispositivos não necessitam implementar
todos os perfis. Um dispositivo somente precisa implementar aqueles necessários para sua
aplicação. Uma exceção, entretanto, é a Generic Access Profile, que é requerida por todos os
dispositivos. Esse perfil define o seguinte (GRATTON, 2003):
• Requisitos para características que devem ser implementadas em todos os dispositivos;
• Procedimentos genéricos para a descoberta de dispositivos Bluetooth;
• Facilidades no gerenciamento do link para conectar dispositivos Bluetooth;
• Procedimentos relacionados ao uso de diferentes níveis de segurança; e
• Requisitos de formato comum para parâmetros de dispositivo acessíveis no nível de
interface com o usuário.
O Bluetooth oferece encriptação e autenticação utilizando um algoritmo baseado no
encriptador SAFER+ (Secure And Faster Encryption Routine), que gera chaves criptografadas
de 128 bits. Quando uma conexão é inicializada, o dispositivo usa uma chave gerada por um
PIN (Personal Identification Number), o endereço do dispositivo Bluetooth, e um número
aleatório de compartilhamento entre os dispositivos. O processo de autenticação verifica se os
dois dispositivos estão usando a mesma chave. Se o processo de autenticação tiver sucesso,
uma nova chave de 128 bits é gerada usando um novo número aleatório de cada unidade, os
endereços Bluetooth das duas unidades e a chave atual. Essa chave é usada para criptografar e
descriptografar os dados (MILLER, 2001).
Além destas medidas de segurança, os dispositivos possuem a capacidade de entrarem
em um modo “invisível”, impossibilitando que outros dispositivos o encontrem (MORROW,
2002).
2.4.1 Rede
Quando dois ou mais dispositivos se comunicam através de uma conexão Bluetooth,
eles formam uma rede denominada Piconet. O dispositivo que estabelece a comunicação é
23
denominado mestre, enquanto os outros dispositivos são chamados de escravos. O dispositivo
mestre é responsável por regular a transmissão de dados e pelo sincronismo entre os
dispositivos, centralizando as comunicações da rede como um switch, impedindo a
comunicação direta entre os escravos. Uma Piconet pode ter no máximo sete escravos, e estes
podem trocar entre si os papéis de mestres para envio de dados (MORROW, 2002).
Para que cada dispositivo de uma Piconet saiba quais são os outros dispositivos na
mesma rede, é necessário fazer uso de um esquema de identificação. O dispositivo que deseja
estabelecer uma conexão com outro através de uma Piconet, emitirá um sinal chamado
Inquiry. Esses dispositivos que recebem o sinal respondem com um pacote FHS (Frequency
HoppingSynchronization) informando a sua identificação e os dados de sincronismo da
Piconet. Utilizando-se dessas informações, o dispositivo pode, então, emitir um sinal chamado
Page para estabelecer uma conexão com outro dispositivo (MORROW, 2002).
Como o Bluetooth é uma tecnologia que possui economia de energia, um terceiro sinal
é enviado, denominado Scan. Ele é utilizado para fazer com que os dispositivos que estiverem
ociosos entrem em stand-by, poupando energia. Entretanto, dispositivos neste estado são
obrigados a "acordar" periodicamente para verificar outros dispositivos solicitando uma
conexão (MORROW, 2002).
2.5 ANDROID
Android é um sistema operacional para dispositivos móveis, criado pelo Google e a
Open Handset Alliance. Atualmente, é o sistema operacional móvel mais popular entre os
smartphones, chegando a marca de 1 milhão de aplicações (GOOGLE, 2013).
Conhecer as características do Android é imprescindível para compreender e
programar para esta plataforma. Apesar de depender de um Kernel Linux, ele não é uma
distribuição Linux, pois não apresenta utilitários como o gerenciador de janelas X-windows e
as bibliotecas GNU C (STEELE, 2011).
Por ser de código fonte aberto, possibilita que os desenvolvedores tenham acesso a
totalidade do código fonte, sendo possível seu estudo de forma ampla e clara. Isto também
permite que os desenvolvedores utilizem o sistema a partir de seu núcleo, podendo criar
aplicativos que substituem os nativos, distribuídos diretamente com o Android. Algumas
partes do sistema tem licença proprietária e não permitem a observação indiscriminada do
código fonte, a exemplo o sistema de GPS (STEELE, 2011).
O desenvolvimento para Android é realizado através do Android SDK (Software
Development Kit) que utiliza um framework Java, mas que não é considerado Java, pois
24
substitui bibliotecas padrão, como Swing, por bibliotecas próprias de desenvolvimento
Android. Disponibilizado gratuitamente, vem acompanhado de um emulador, que permite
virtualizar as funções físicas do dispositivo, como GPS e câmera, possibilitando que os
aplicativos sejam testados sem a necessidade de um dispositivo físico presente (GOOGLE,
2013).
O SDK é compatível com várias IDEs (Integrated Development Environment), como
por exemplo Eclipse e NetBeans, que possibilitam a edição de código e depuração, além de
oferecer ferramentas gráficas onde é possível arrastar e soltar elementos para a criação das
telas do aplicativo em desenvolvimento (STEELE, 2011).
2.6 PROJETOS SIMILARES
2.6.1 Braço robótico com controle remoto Bluetooth
Esta seção é dedicada a apresentar o Braço robótico com controle remoto Bluetooth de
Bajerski e Abella (2010), construído como Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia de
Computação na Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS).
O protótipo trabalhava por meio de uma interface de manipulação sem fio. O Trabalho
teve como desafio a construção de um braço mecânico com matérias de fácil acesso, e
funcionalidades intuitivas para o usuário. O braço foi construído utilizando servomotores,
suportado por uma estrutura de alumínio. Para movimentação sem fio do braço, foi utilizado o
controle remoto do console Nintendo Wii como dispositivo de manipulação.
Para realização do projeto foram estipulados dois objetivos principais. O primeiro visou
suprir as carências de mercado por manipuladores robóticos de baixo custo, que pudessem ser
empregados em atividades de ensino ou entretenimento, com uma interface de controle
totalmente flexível empregando tecnologias atuais de conectividade com foco no baixo custo
e de materiais e componentes de fácil acesso.
O segundo objetivo foi de inovar na escolha de dispositivos de controle do braço
robótico, com o uso de conectividade por Bluetooth e acelerômetros, construindo um pequeno
braço robótico, com baixo investimento e com materiais de fácil.
A construção do braço robótico possibilitou a aplicação na prática de conceitos de
automação com materiais facilmente acessíveis no mercado e de baixo custo. A plataforma de
controle do dispositivo foi baseada em um micro controlador MSP 430F2619 acoplado a uma
placa fornecida pela PUCRS. O KIT de Laboratório de Processadores I forneceu todo tipo de
suporte de conexões de entradas e saídas, onde foi implementado todo o controle principal do
braço robótico, controlando todos os motores que movimentavam as articulações do braço
25
robótico.
Para a movimentação das juntas do braço foram utilizados servomotores de posição.
Cada articulação do braço robótico é controlada por um ou mais servos, os quais possuem
variações angulares entre 0 e 180 graus. O pequeno braço robótico possui 5 graus de
liberdade. O braço pode girar 180 graus em torno de seu eixo, e sua extremidade possui uma
garra, a qual pode ser utilizada para manipular objetos. A garra pode girar até 180 graus em
torno de seu eixo, proporcionando uma boa flexibilidade na manipulação de objetos.
O movimento do braço robótico é feito com o uso de acelerômetros e botões
encontrados nos controles do console Nintendo Wii. O mesmo transmite o comando através
da tecnologia Bluetooth até a placa de controle.
A estrutura do braço robótico foi feita em alumínio. A escolha por este material deu-se
em função das dimensões e peso envolvidos no projeto. O pequeno braço utilizou
servomotores de pequeno torque, o que limitou a escolha de alguns materiais. As dimensões
do braço e o seu formato podem ser vistos na Figura 7.
O custo para a construção do projeto do braço robótico foi de aproximadamente R$
400,00, sendo:
• 7 Servomotores R$ 16,00 (Unidade);
• 1 metro de um perfil de alumínio de uma polegada, R$ 20,00;
• Parafusos e porcas R$ 10,00;
• KIT de Laboratório de Processadores I custou R$ 100,00;
• Modulo Bluetooth SURE custou R$ 100,00;
• Extensores, caixas de MDF entre outros itens R$ 45,00.
26
Figura 7. Braço mecânico.
Fonte: Bajerski e Abella (2010)
Durante a construção foram encontrados dois problemas em particular. Logo após a
obtenção do módulo da SURE foi encontrado o problema por falta de conhecimento do
módulo e também por falta de documentação, porém o mesmo foi resolvido com troca de e-
mails com os desenvolvedores.
Também obtiveram problemas com a taxa de transmissão da porta serial, que no caso do
módulo era de 9600bps enquanto o cabo era de 115200bps, algo que não foi notado no início
da construção.
2.6.2 Controle de sistemas embarcados por sistema operacional móvel Android via Bluetooth
Esta seção é dedicada a apresentar o Controle de sistemas embarcados por sistema
operacional Android via Bluetooth de Santos (et al, 2012), construído com a finalidade de
controlar sistemas embarcados via comunicação a distância utilizando Bluetooth, para
detecção de avarias através do sensoriamento do ambiente.
27
Uma placa de prototipação Arduino dotada de um shield Bluetooth, realizou com
sucesso os testes em laboratório e em campo. A comunicação com o dispositivo remoto é feita
através de um aplicativo desenvolvido para a plataforma Android.
O dispositivo remoto, um veículo conforme apresentado na Figura 8, é controlado
através de comunicação sem fio, tendo um microcontrolador Atmega328 acoplado a uma
placa de prototipação Arduino e motores L293D aninhados a circuitos controladores de
tensão, apresentando eficiência energética, capacidade de comunicação em distâncias
consideráveis e viabilidade comercial.
Figura 8. Veículo controlado remotamente.
Fonte: Adaptado de Santos (et al, 2008)
Como dispositivo controlador foi utilizado um smartphone modelo Galaxy 5, da
fabricante Samsung, tendo como características principais seu sistema operacional, Android
2.2, A-GPS, comunicação Wi-Fi e bluetooth, giroscópio e tela sensível ao toque.
Atendendo as metas e desafios, tanto o aplicativo quanto o veiculo tele operado,
mostram o potencial de soluções baseadas em controles a distância de dispositivos
embarcados, principalmente em ambientes de código fonte livre, abrindo caminho para
inovações na área.
2.6.3 Sistema de controle de braço mecânico automatizado
Esta seção é dedicada ao resumo do Sistema de controle de braço mecânico de
Saraiva, Maranhão e Listo (2008), que foi construído com o intuito de dar mais segurança a
trabalhos insalubres, dotado de uma pinça em sua extremidade, demonstrando a aplicação de
conceitos da robótica como, Modelo Cinemático, Rotação, Grau de Liberdade, entre outros.
Através de um software é possível controlar os movimentos do manipulador articulado
e da pinça a distância. O braço e a pinça, conforme apresentados na Figura 9, são acionados
28
por servomotores Pittman gm9x14, controlados pelo circuito integrado PIC 16F628A,
acoplado em uma placa Ponte H, responsável pela comunicação com o software externo.
Figura 9. Braço mecânico em PVC
Fonte: adaptado de Saraiva, Maranhão e Listo (2008)
Com o auxilio de um software em Java, é possível controlar o manipulador articulado
a distância, bem como sua pinça. A comunicação é feita via porta serial, listando as portas
disponíveis, enviando e recebendo dados, o software funciona sob orientação do operador.
2.6.4 Desenvolvimento de um protótipo de robô cortador de grama
Evitar a repetição de tarefas e permitir maior eficiência e precisão são as principais
razões para a automatização de processos, evitando força de trabalho primariamente humana
para execução de longas e por muitas vezes perigosas ações (DEVENZ, 2012).
Ao criar um robô cortador de grama, Devenz 2012 implementou e testou componentes
estruturais e mecânicos, circuitos eletrônicos e firmwares para controlar o protótipo. Nesta
proposta o robô trabalha respondendo a eventos acionados a partir do sensoriamento do
ambiente e subsequente interpretação pelo controlador ATmega328, gerando um comando
que é enviado ao motor CC (Corrente Contínua).
O robô, representado na Figura 10, possui uma hélice adaptada à sua base que realiza
o corte da grama, sem interferência humana, evitando obstáculos e podendo identificar os
limites do terreno, além de acessar locais de difícil acesso por seu tamanho diminuto e
facilidade de deslocamento.
29
Figura 10. Robô cortador de grama.
Fonte: DEVENZ (2012)
2.6.5 Comparativo
Considerando este trabalho e os trabalhos similares apresentados anteriormente, a
Tabela 2 demonstra um comparativo entre os principais aspectos apresentados nestes
trabalhos, evidenciando que este trabalho reúne aspectos dos trabalhos similares apresentados
anteriormente.
Tabela 2. Comparação entre trabalhos similares.
Locomoção Manipulação Controle com fio
Controle sem fio
Movimentação autônoma
Este trabalho X X X BAJERSKI; ABELLA; 2010
X X
SANTOS et al, 2008
X X
SARAIVA; MARANHÃO; LISTO, 2008
X X
DEVENZ, 2012 X X
30
Analisando os aspectos de forma mais específica, nota-se que a movimentação presente
nos projetos de Santos (et al, 2008) e Devenz (2012) é implementada de maneira diferente
neste trabalho onde são utilizadas patas ao invés de rodas. A manipulação implementada por
Bajeski e Abella (2010) e Saraiva, Maranhão e Listo (2008) é reproduzida neste trabalho de
forma similar, utilizando um braço articulado e uma pinça na extremidade. Já o controle sem
fio utilizado neste projeto é similar ao utilizado por Santos (et al, 2008), onde um smartphone
envia os comandos para o protótipo através de uma conexão Bluetooth.
31
3 DESENVOLVIMENTO
O desenvolvimento da solução proposta por este trabalho é dividido em físico e lógico.
A parte física compreende o braço mecânico com pinça e o projeto elétrico com a inclusão
dos novos servos e shield Bluetooth ao robô produzido por Kretzschmar (2012). A parte
lógica compreende o aplicativo de controle remoto e a codificação do Arduino para realizar os
comandos enviados pelo controle remoto. Por fim serão apresentados os testes realizados para
validação das funcionalidades propostas no projeto.
3.1 FÍSICO
Inicialmente pretendia-se utilizar o robô construído por Kretzchmar (2012), acoplando
a ele o braço mecânico que seria construído em madeira durante o desenvolvimento deste
trabalho. Porém, o protótipo apresentou problemas estruturais que impossibilitaram a adição
do peso do braço mecânico em sua parte frontal. A solução proposta para este problema
durante a análise de risco era a reconstrução do corpo do robô em outro material mais
resistente.
Para tal, o projeto do corpo do robô foi realizado novamente, seguindo os mesmos
conceitos presentes no robô utilizado como base, assim como apresentado na Figura 11. O
material utilizado foi o acrílico com 5mm de espessura.
Figura 11. Protótipo do robô em acrílico.
32
Algumas características presentes no robô de Kretzchmar (2012) foram ligeiramente
modificadas, como o posicionamento diagonal dos motores na base em oposição ao
posicionamento lateral utilizado anteriormente.
O novo projeto é composto por 18 peças de acrílico, ao invés de 9 peças de madeira
como o projeto base. Vale salientar que 8 peças foram dobradas após serem cortadas,
correspondendo aos pés e parte das pernas do robô, assim como mostra a Figura 12.
Figura 12. Perna e pé em acrílico.
Em seguida foi realizado o projeto do braço mecânico com pinça para ser
posteriormente acoplado ao robô com o intuito de adicionar a capacidade de manipular
objetos. Este braço é composto por dois servomotores Futaba S3003 e uma Garra Robótica
MG995. A Garra foi utilizada parcialmente, sendo a parte utilizada composta por um conjunto
de plástico e um servomotor Torobot TR205. A construção é dividida em três segmentos,
assim como apresentado na Figura 13, sendo eles:
1. Base: composta por um servomotor Futaba S3003, ficando acoplada a base do
robô. Um conjunto de cinco peças de acrílico é acoplado a este servomotor,
servindo como base para o próximo segmento. É responsável por realizar os
movimentos de rotação do braço para a direita e para a esquerda.
2. Articulações: composta por um conjunto de quatro peças de acrílico e dois
servomotores Futaba S3003, ficando acoplada a base do braço. Os
33
servomotores são responsáveis por realizar os movimentos de levantar e
abaixar da o corpo do braço, além de levantar e abaixar a pinça.
3. Pinça: composta por um conjunto de três peças de acrílico, um conjunto de
plástico e um servomotor Torobot TR205, ficando acoplada ao segundo motor
do segmento das articulações. O servomotor deste segmento é responsável por
realizar os movimentos de abertura e fechamento da pinça. O conjunto de
plástico utilizado é uma parte da Garra Robótica MG995.
Figura 13. Protótipo do braço mecânico em acrílico.
34
O projeto do novo robô completo, utilizando a nova base e o braço mecânico em
acrílico de 5mm é apresentado na Figura 14.
Figura 14. Protótipo do robô com braço mecânico em acrílico.
Após a conclusão do projeto, as medidas foram enviadas a uma empresa terceirizada
onde as peças foram cortadas e dobradas. Com o recebimento das peças o robô foi montado,
utilizando parafusos para fixação ao invés de cola, possibilitando que este possa ser
desmontado completamente. O robô completo após a montagem é apresentado na Figura 15.
Figura 15. Foto do protótipo do robô construído.
35
Com o objetivo de minimizar as possibilidades de tombamento do robô devido ao peso
do braço mecânico, o mesmo possuirá dois modos de comando, sendo eles Andar e
Manipular. No modo Andar, apenas as pernas podem ser movimentadas e o braço mecânico
fica em repouso sobre o robô. No modo Manipular, somente os movimentos do braço
mecânico ficam disponíveis e as pernas são posicionadas em formato de ‘X’ para
proporcionar maior estabilidade ao robô, conforme apresentado na Figura 15.
3.1.1 Projeto Elétrico
O projeto elétrico apresenta o circuito elétrico que interliga os componentes do robô.
A Figura 16 apresenta os servos, a placa Arduino, a bateria e o shield Buetooth interligados
através da protoboard.
Figura 16. Projeto elétrico.
36
O projeto apresentado é a continuação do projeto realizado por Kretzchmar (2012),
com a inclusão dos 4 novos servomotores e do shield Buetooth. Com a inclusão dos novos
componentes, todas as portas digitais do Arduino Uno foram utilizadas, impossibilitando a
inclusão de novos componentes digitais sem a troca do Arduino. Além disso, durante a
construção do robô não foi possível utilizar a protoboard por falta de espaço, mas apesar
disso, todas as ligações permaneceram idênticas ao projeto.
3.2 LÓGICO
A parte lógica do desenvolvimento compreende o aplicativo de controle remoto, que
envia os comandos do usuário para o robô através de uma conexão Bluetooth, além do código
a ser carregado na placa de prototipação Arduino, que recebe os comandos enviados pelo
controle e executa os movimentos conforme necessário.
3.2.1 Controle remoto
A aplicação de controle remoto é responsável por fornecer ao usuário um meio para
controlar o robô e o braço mecânico, sendo desenvolvida em Java para ser executada por um
dispositivo Android. Em linhas gerais, o aplicativo deve controlar a movimentação do robô e
do braço mecânico com pinça por meio do envio de comandos pré-definidos através de uma
conexão Bluetooth. Além disso, o aplicativo deve exibir o estado atual do robô e o status da
conexão. A seguir são detalhados os requisitos funcionais, requisitos não funcionais, regras de
negócio, casos de uso e as telas do aplicativo desenvolvido.
Requisitos funcionais
RF01. A aplicação deverá permitir ao usuário movimentar o robô para frente e para
trás.
RF02. A aplicação deverá permitir ao usuário rotacionar o robô para a direita e para a
esquerda.
RF03. A aplicação deverá permitir ao usuário movimentar braço mecânico para frente e
para trás.
RF04. A aplicação deverá permitir ao usuário movimentar braço mecânico para a
direita e para a esquerda.
RF05. A aplicação deverá permitir ao usuário comandar a abertura e fechamento da
pinça.
37
Requisitos não funcionais
RNF01. A aplicação deverá ser desenvolvida para plataforma Android.
Regras de negócio
RN01. A aplicação deverá enviar os comandos ao robô via conexão bluetooth.
Casos de uso
UC01. Movimentar o robô: Permite ao usuário controlar o robô para frente, para trás,
para a direita e para a esquerda.
UC02. Movimentar o braço mecânico com pinça: Permite ao usuário controlar o braço
mecânico para frente, para trás, para a direita e para a esquerda, assim como a abertura e
fechamento da pinça.
UC03. Alternar entre controles: Permite ao usuário alternar entre os modos de controle
do robô e do atuador.
3.2.1.1 Telas
A aplicação de controle remoto permite ao usuário comandar o robô, através de uma
conexão Bluetooth, para realizar seus movimentos de locomoção e manipulação.
A aplicação possui três estados, sendo eles “Aguardando”, “Andando” e
“Manipulando”, cada um destes exibindo diferentes elementos que permitem acessar as
funcionalidades disponíveis no momento, assim como detalhados a seguir.
Ao iniciar a aplicação a mesma se encontra no estado “Aguardando”, onde a
funcionalidade disponível é a de “Conectar Bluetooth”. Esta funcionalidade procura o
dispositivo Bluetooth do robô e requisita uma conexão com o mesmo. Caso a conexão tenha
sido estabelecida, o estado da aplicação passa para o estado “Andando”, caso contrário,
permanece no estado “Aguardando”. O posicionamento do elemento responsável pelo
comando “Conectar Bluetooth” é representado na Figura 17.
38
Figura 17. Tela do aplicativo de controle remoto no estado “Aguardando”.
No estado “Andando” a aplicação disponibiliza os comandos “Frente”, “Direita”,
“Esquerda” e “Trás” para controlar a locomoção do robô. A opção de alternar para o modo
“Manipular” também fica disponível. O posicionamento dos elementos responsáveis pelos
comandos, conforme a Figura 18, são:
1. Desconectar Bluetooth;
2. Estado Atual;
3. Manipular;
4. Frente;
5. Direita;
6. Trás;
7. Esquerda.
Figura 18. Tela do aplicativo de controle remoto no estado “Andando”.
39
No estado “Manipulando” os comandos disponíveis estão divididos em dois grupos. O
primeiro grupo possui os comandos “Frente”, “Direita”, “Esquerda” e “Trás” para controlar o
braço mecânico. O segundo grupo possui os comandos “Levantar”, “Abrir”, “Abaixar” e
“Fechar” para controlar pinça. O posicionamento dos elementos responsáveis pelos
comandos, conforme a Figura 19, são:
1. Desconectar Bluetooth;
2. Andar;
3. Estado Atual;
4. Frente;
5. Direita;
6. Trás;
7. Esquerda;
8. Levantar;
9. Abrir;
10. Abaixar;
11. Fechar.
Figura 19. Tela do aplicativo de controle remoto no estado “Manipulando”.
Os comandos que controlam o robô são enviados individualmente através da conexão
Bluetooth para a placa Arduino, que identifica o comando e executa a sequência de
movimentos respectiva. Cada comando é representado por um caractere, conforme a Quadro
1.
40
Comando Caractere Andar A Manipular M Frente F Direita D Esquerda E Levantar L Abrir O Abaixar B Fechar C
Quadro 1. Comandos do controle remoto.
3.2.2 Código embarcado
O código embarcado na placa de prototipação Arduino é responsável pela leitura dos
comandos recebidos pelo shield Bluetooth para posterior reconhecimento e execução dos
movimentos. Os comandos reconhecidos são apresentados na Erro! Fonte de referência não
encontrada..
Este código também possui um estado que pode ser “Andando” e “Manipulando”,
sendo alterado pelos comandos “Andar” e “Manipular”, além de realizar os movimentos
necessários para posicionar o robô conforme estado atual.
Vale salientar que os comandos “Frente”, “Direita”, “Trás” e “Esquerda” controlam a
movimentação do robô no estado “Andando” e controlam a movimentação do braço mecânico
no estado “Manipulando”.
Seu funcionamento geral é demonstrado no fluxograma apresentado na Figura 20.
41
Figura 20. Fluxograma do código embarcado.
3.3 TESTES
Ao termino do desenvolvimento do robô, do aplicativo de controle e do código
embarcado, foram realizados testes para validação de funcionamento. Os testes de
movimentação do robô já haviam sido realizados por Kretzchmar (2012), mas em virtude da
reconstrução do robô, os testes foram realizados novamente, a fim de validar a nova
construção.
Também foram realizados testes de movimentação do braço mecânico e sua
capacidade de pinçar e levantar objetos de diferentes formas e pesos, além da alternância entre
os estados do robô, todos estes utilizando o aplicativo de controle remoto instalado em um
smartphone Motorola Moto G.
Os testes de movimentação do robô são apresentados na Tabela 3.
42
Tabela 3. Testes de movimentação
Ação / Ambiente Andar Frente Andar Trás Virar Direita Virar Esquerda Plano Realizou Realizou Realizou Realizou Subida Variável Realizou Variável Variável Descida Realizou Variável Variável Variável Irregular Variável Variável Variável Variável
Os valores apresentados como “Variável” na TABELA X representam testes onde foi
possível realizar o movimento em parte das tentativas, devido a algumas imperfeições geradas
pelas peças de acrílico dobradas.
Os testes de movimentação do braço mecânico com pinça apresentaram o resultado
esperado, respondendo corretamente aos comandos enviados pelo aplicativo de controle
remoto. Durante os testes com objetos foi possível levantar um cubo, uma bola e uma pedra,
demonstrando a capacidade do braço mecânico de manipular objetos quadrados, redondos e
amorfos. O objeto de maior peso levantado durante os testes foi de 32 gramas.
3.4 PROBLEMAS ENCONTRADOS
3.4.1 Peças de acrílico
Na construção do robô, algumas das peças de acrílico foram dobradas por uma
máquina especializada, com o objetivo de facilitar a montagem, evitando a necessidade de
utilizar cola ou parafusos para fixação dessas peças.
Porém, durante a montagem do robô, percebeu-se que as peças não apresentavam as
mesmas medidas do projeto, além de dobras em ângulo incorreto, resultando em peças tortas e
com dimensões diferentes do previsto, impossibilitando o encaixe com outras peças que
possuíam as medidas esperadas. A Figura 21 apresenta a peça do pé com a maior diferença
entre o que era esperado e o que foi obtido.
43
Figura 21. Pé de acrílico dobrado.
Para contornar este problema, algumas das peças dobradas foram ajustadas com o uso
de lixas, possibilitando o encaixe das outras peças e a montagem completa do robô. Apesar de
ser possível fazer ajustes nestas peças, a utilização de peças dobradas não é adequada por
apresentar imprecisões que não podem ser mensuradas durante a modelagem do projeto.
3.4.2 Braço mecânico
Durante os testes de manipulação do braço mecânico, o motor que é responsável por
levantar e abaixar o braço mecânico, apresentado na Figura 22, teve dificuldades para exercer
sua função. Devido ao comprimento do braço e o peso dos componentes acoplados a este
motor, o torque exigido é muito próximo do oferecido pelo servomotor utilizado, impondo
uma limitação para a manipulação de apenas algumas gramas sem a força do motor.
44
Figura 22. Braço mecânico com pinça.
A fim de aprimorar o funcionamento do braço mecânico, a troca do servomotor por
um de maior torque é uma opção a ser considerada.
3.4.3 Bateria
A bateria utilizada neste projeto é a mesma que alimentava o protótipo construído por
Kretzchmar (2012), onde estavam presentes oito servomotores e um Arduino Uno. Neste
projeto, foram adicionados quatro servomotores e um shield Bluetooth, reduzindo a
autonomia da bateria para aproximadamente 10 minutos.
Isso pode se tornar um problema caso este protótipo seja utilizado em uma aplicação
que demanda maior tempo de utilização. Para solucionar este problema é possível trocar a
bateria atual por uma de maior carga, ou adicionar outra bateria similar, dividindo os
componentes entre as duas, possibilitando uma maior autonomia do robô.
45
4 CONCLUSÕES
Com a finalização do projeto, foi possível efetuar as modificações no robô criado por
Kretzschmar (2012), propostas no início do presente trabalho. Apesar de todo conhecimento
adquirido no decorrer do curso e nas pesquisas realizadas durante o decorrer do projeto,
algumas dificuldades apareceram na qual não se esperava, porém nenhuma delas
comprometeu a conclusão do projeto.
Os movimentos de locomoção do robô foram reproduzidos da mesma forma que
Kretzschmar (2012) havia implementado anteriormente, porém, ao invés de uma execução
automática, os movimentos são controlados pelo usuário através do aplicativo de controle
remoto.
A compra da Garra Robótica MG995 eliminou a necessidade de construir esta peça,
facilitando a construção do braço mecânico.
O aplicativo de controle remoto foi desenvolvido de forma a apresentar apenas os
comandos válidos em um determinado momento, dispensando a necessidade de um grande
volume de validações e minimizando a extensão código-fonte.
Uma das dificuldades que causou impacto negativo no desenvolvimento, fora o atraso
por parte dos Correios na entrega dos componentes necessários para a realização do projeto,
assim encurtando alguns passos da construção, exigindo algumas mudanças no cronograma.
A maior dificuldade na construção do robô em acrílico foi encontrada na utilização de
peças dobradas, pois estas peças não representam fielmente as medidas projetadas, que apesar
de serem pequenas diferenças, dificultaram a montagem do projeto.
Tendo em vista o fato de se tratar da ampliação de um protótipo, não foram encontradas
grandes dificuldades no tocante à documentação dos componentes eletrônicos e seus
respectivos conceitos. Uma dificuldade superada com a análise do projeto de Kretzschmar
(2012) foi a verificação da possibilidade de movimentar múltiplos servos em paralelo,
possibilitando, assim, uma movimentação harmônica por parte do protótipo.
A escolha da adição de um braço mecânico com pinça e o controle via dispositivos
móveis, vieram da intenção de transformar o protótipo de Kretzschmar (2012) em algo mais
dinâmico em relação ao seu controle, e adicionar uma funcionalidade a mais a fim de deixar o
projeto com uma maior utilidade, no caso da pinça.
Este trabalho atingiu seus objetivos, agregando conhecimento a um trabalho
desenvolvido anteriormente e ampliando a presença da área de robótica no curso de ciência da
46
computação, contribuindo para o desenvolvimento técnico científico do curso e dos
acadêmicos envolvidos nos trabalhos futuros.
4.1 TRABALHOS FUTUROS
Com a execução do presente projeto, foram realizadas algumas melhorias no protótipo
de Kretzschmar (2012). Mesmo com essas mudanças realizadas, é possível observar alguns
outros pontos de aprimoramento do protótipo, podendo então exercer outras funcionalidades.
Alguns dos planos estão citados abaixo:
1. Controle de Estabilidade: Poderão ser adicionados sensores de estabilidade para
verificar o posicionamento do robô, de forma que possa caminhe sobre terrenos
irregulares, minimizando assim o risco de sofrer incidentes (como quedas, por
exemplo);
2. Sensores de Obstáculos: Poderão ser adicionados sensores de obstáculos para que
quando o robô caminhe em modo automático, desvie ou supere obstáculos que possam
vir a obstruir o seu caminho;
3. Controle via WI-FI/Radiofrequência: Substituir o meio de comunicação do robô
para um com maior alcance, permitindo assim o controle do protótipo por maiores
distâncias, não necessitando a aproximação do local a ser explorado;
4. Mudanças na Arquitetura: Mudanças na arquitetura do robô poderão ser realizadas
durante os aprimoramentos futuros, como exemplos, a adição de uma câmera sem fio
para o controle do protótipo à distância, além de novas adaptações, como pernas
adicionais proporcionando um melhor controle ou mudanças na plataforma, podendo
assim obter-se um melhor aproveitamento da mesma.
5. Adaptação para Componentes Modulares: Adaptar e organizar seus componentes
de forma modular, a fim de facilitar a troca das funções do robô, adicionando ou
retirando componentes específicos quando necessário, sem a necessidade de uma
modificação completa do projeto.
6. Adição de Novas Funcionalidades a Aplicação: Inclusão novos controles,
dependendo da necessidade do protótipo, além do retorno de informações por parte do
robô, apresentando assim alguns avisos, como exemplo nível de bateria, distancia de
abrangência do controle remoto, sobrepeso, entre outros avisos para orientação do
usuário.
47
7. Aplicação do Controle Remoto Multiplataforma: Efetuar a migração da aplicação
do Android, transformando-a em multiplataforma, assim podendo ser executada em
qualquer dispositivo que possua Bluetooth compatível.
8. Criação de uma Biblioteca para Movimentação: Efetuar a criação de uma
biblioteca para facilitar a representação de movimentos biológicos em outras
iniciativas da área, utilizando como base a programação efetuada no seguinte projeto.
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REFERÊNCIAS
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49
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STEELE, James. The Android Developer’s Cookbook Building Aplications with the Android SDK. New York: Addison-Wesley, 2011.
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APÊNDICE A. PEÇAS DO ROBÔ COM MEDIDAS
A.1 PLATAFORMA
Figura 23. Plataforma do robô.
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A.2 PRIMEIRA SEÇÃO DA PERNA
Figura 24. Primeira seção da perna.
52
A.3 SEGUNDA SEÇÃO DA PERNA
Figura 25. Segunda seção da perna.
53
A.4 BASE DO BRAÇO ROBÓTICO
Figura 26. Base do braço robótico.
54
A.5 SEÇÃO CENTRAL DO BRAÇO ROBÓTICO
Figura 27. Seção central do braço robótico.
55
A.6 BASE DA PINÇA
Figura 28. Base da Pinça.
