AMBIENTE DE MANIPULAÇÃO ROBÓTICA USANDO SIMULAÇÃO COM WORKSPACE E ROBO ESHED ER-5

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1 AMBIENTE DE MANIPULAÇÃO ROBÓTICA USANDO SIMULAÇÃO COM WORKSPACE E ROBO ESHED ER-5 João Alvarez Peixoto*, Celestino Pereira*, Flávio Ávila*, Renato Ventura** * Mestrando do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica UFRGS Porto Alegre, RS, Brasil ** Departamento de Pós-graduação em Engenharia Elétrica UFRGS Porto Alegre, RS, Brasil joao.peixoto@senairs.org.br, fabio.celestino@ufrgs.br, flavio.avila@senairs.org.br, rventura@ece.ufrgs Resumo: O aprendizado decorre de fundamento técnico, experimentação e implementação, ou seja, saber como se faz, comprovar o que fora aprendido e aplicar o conhecimento. Nesta concepção de aprendizagem, este trabalho se propõe ao aprendizado quanto a manipulação de robôs num ambiente em que ocorra aprendizado dos conceitos, que se possa testar os conceitos de forma simulada e que a aplicar a manipulação robótica num robô didático, tudo integrado no mesmo ambiente. Abstract: The learned folloing of tecnic basis, experimentation, and execution, so, to know how to do, to check the knowledge, and to apply the knowledge. In this point, this paper will show a environment for learned of robot manipulation, when the basis learned, the check of basis, and the applying occur in the same environment Palavra-chave Robótica, manipulação de robôs, aprendizado em robótica. 1 Introdução O aprendizado decorre de fundamento técnico, experimentação e implementação, ou seja, saber como se faz, comprovar o que fora aprendido e aplicar o conhecimento. Mas quando estes fatores ocorrem em ambientes distintos, a contextualização torna-se mais difícil. Como conectar os fundamentos técnicos aprendidos num livro com ensaios simulados num software, cujos comandos são específicos, e ainda implementar uma aplicação em equipamentos ou ferramentas mais distintas ainda. A impressão é que o conhecimento está desconectado, ao passo que o contexto deveria ser o norte a ser seguido. Este trabalho aborda a aprendizagem de manipulação de sistema robótico. E neste tópico percebe-se que há necessidade de aprender os fundamentos de manipulação dos sistemas robóticos, que é necessário saber manipular um sistema robótico e por fim manipular um robô. Partindo da última etapa, manipular uma robô, se propõe um ambiente único em que os fundamentos, a simulação e a manipulação ocorram. Assim, o trabalho transcreve em tópicos as etapas para criação deste ambiente de aprendizagem de manipulação robótica. Aspectos relativos a aprendizagem são abordados em primeiro plano, seguido de um estudo de trabalho semelhante. Após, os fundamentos de manipulação robótica juntamente com a modelagem de um robô. Segundo da implementação de ambiente de simulação no workspace e por fim, o ambiente de manipulação do robô. 2 Aprendizado significativo O conhecimento é algo a ser buscado, próprio de cada indivíduo e consequência da dedicação e esfoço. Os recursos didáticos são meios que relacionam o objeto de aprendizado ao aprendiz. Quando um recurso didático é significativo, contextualizado com o dia-a-dia, o aprendizado torna-se mais fácil. Segundo Godoi (2001, p12) a aproximação do sujeito em relação ao objeto é permitida simultaneamente pelo investimento de libido no objeto e em virtude da capacidade cognitiva de apreensão do objeto. Uma vez que o objeto de aprendizagem está próximo ao aluno, a motivação intrínseca o leva ao aprendizado. Pensando em aprendizado de manipulação de robô, um ambiente que apresente todos os aspectos da manipulação de forma significativa pode facilitar o aprendizado, e de forma significativa. Conceito Verificação Aplicação Figura 01: Esboço do ambiente proposto

2 3 Análise de um ambiente de experimentação em manipulação robótica Os alunos do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Brasílio: Humberto A. Guimarães, Frederico F. Elsner e V. H. Casanova Alcalde publicaram um artigo (HUMBERTO,) com uma proposta de um ambiente de aprendizagem onde a simulação e a aplicação prática era gerada pelo mesmo ambiente. A ferramenta utilizada foi o software MatLab, responsável pela simulação dos movimentos do robô. Nele foi criado uma interface de operação que comunicase com um robô didático Rhino XR4. Um robô cujas três primeiras juntas são rotacionais (RRR) é chamado de robô articulado. Um robô cujas três primeiras juntas são rotacional, prismática e prismática (RPP), é chamado de robô cilíndrico. Um robô cujas três primeiras juntas são rotacional, rotacional e prismática (RRP) pode ser chamado de robô esférico ( se a junta P for longitudinal) ou robô SCARA ( se a junta P for transversal). Conforme figura 04. PPP RRR RPP RRP RRP Figura 04: tipos de robôs. Em nosso caso de estudo trataremos de um robô articulado que possui 5 juntas rotacionais. MatLab Rhino XR4 Figura 02: Ambiente experimentação MatLab-Robo XR4 Fonte: artigo (HUMBERTO,) Através de uma interface GUI no software MatLab, os movimentos e tragetórias são simuladas, e através desta mesma interface os comandos de movimentação são enviados ao robô XR4 que procede o movimento. Neste ambiente, a geração de cinemática direta, cinemática inversa e geração de trajetória são desenvolvidas e testadas no ambiente de simulação, quando então são enviadas ao robô real. 4 Fundamentos de Manipulação Robótica Um robô é composto de juntas de articulação, que permitem o alcance a um determinado objeto e orientação sobre o mesmo. As juntas se conectam uma as outras formando uma cadeia cinemática. Uma junta de uma robô pode ser rotacional (R), prismática (P) ou esférica (E), como mostra a figura 03. Junta rotacional Junta Prismática Junta Esférica Figura 03: Tipos de juntas dos robôs. O conjunto das três primeiras juntas do robô definem características importantes no que diz respeito a agilidade, robustez, precisão, etc. e que define suas aplicações. Um robô cujas três primeiras juntas são prismáticas (PPP) é chamado de robô cartesiano. Figura 05: Robô articulado de 5 graus de liberdade. A manipulação do robô consiste em movimentar cada uma das juntas do robô de forma que alcance um objeto proposto (cinemática direta), ou movimentar o eixo cartesiano do ponto no efetuador, neste caso as juntas assumem ângulos (cinemática inversa) que combinado resultem na coordenada definida do efetuador durante a manipulação. Os robôs industriais possuem dispositivos (consoles) que permitem a movimentação dos eixos de junta ou cartesianos do robô. Estes consoles são chamados de teach pendant. 5 Modelo do robô no software WorkSpace O software Workspace versão 5.0 é uma ferramenta de modelagem que permite a geração de sólidos e relacionalos numa cadeira cinemática. Assim, através desta ferramenta pode-se criar braços robóticos e atribuí-los parâmetros cinemáticos. Esta é a ferramenta utilizada para o aprendizado das movimentações das juntas e posterior interface com o robô real. Para que os movimentos simulado no software seja o mais semelhante ao robô real optou-se em criar um robô nesta ferramenta. Assim, cada junta foi reproduzida seguindo dimensões do robô Eshed ER-5.

3 Figura 06: Juntas modeladas no WorkSpace. Figura 08: Teach pendant editado no Visual Basic Os comandos na linguagem visual basic são específicos ao WorkSpace. O programa que executa o Teach Pendant é interpretado pelo WorkSpace como uma macro. A seguir são apontados os comandos editados no Visual Basic: Figura 06: Ambiente do WorkSpace com robô editado. O robô é montado, estabelecendo a relação de juntas e parametrizado a cadeia cinemática. Os parâmetros Denavit-Hartenberger podem ser observados a seguir: Figura 07: Parâmetros Denavit-Hartenberger no WorkSpace Neste momento o aprendiz pode simular os movimentos do robô e identificar as características em fundamentais. A garra acoplada ao robô (gripper) foi criada como uma mecanismo e transformado em uma ferramenta (tool) e a ela vinculado um comportamento (behavior), neste caso o comportamento de abrir e fechar. Mas manipular este robô e manipular o robô real apresentam diferenças, pois as interfaces são diferente, assim, foi criado através da linguagem Visual Basic, na qual o software WorkSpace foi escrito, um teach pendant igual ao teach pendant real, com as mesmas funcionalidades de manipulação. Public Atribuição de variáveis globais rrobot Variável de atribuição do robo ativo eshedjoint2(5) As Doublé Variável para armazenamento de valores de juntas eshedjoint3(5) As Doublé Variável aux para armazenamento de valores de juntas TP1 As WsTeachpoint Variavel de armazenamento de posições do TP TP2 As WsTeachpoint Variavel de armazenamento de posições auxilizar Private Sub UserForm_Initialize() Função de inicialização do forms tp.tp MSComm1.PortOpen = True Ativação do modulo de comunicação Open_Close.Tag = 0 Sinaliza tag comunicação como ativado/destivado inc = 1 Atribui o valor do increment com o sendo 1 Set rrobot = ThisDocument.GetRobot("ROBOT") Atribui rrobot o Robo a ser ativo x = : y = 6: z = : a = 90: b = 0: c = -60 coordenadas cartesianas SetCartesianTeachpoint rrobot, TP1, x, y, z, a, b, c, "LUNB" 1atribui valores de juntas para as coordenadas cartesianas descritas acima MoveTo rrobot, TP1 Cria o movimento para os valores TP1, modo simulação RCSJointPosToWsJointPos rrobot, rrobot.rrs.jointpos,.jointpos Atualiza valores das posições de juntas For j = 0 To rrobot.nummainaxes - 1 eshedjoint2(j) = eshedjoint(j) * 180 / 3.14 Cria vetor de valores de angulo das juntas Next SetImmediateJointPosition rrobot, eshedjoint2 Inicia o movimento para os angulos da juntas colocando o robô na posição home O botão Group Select seleciona o modo de simulação ou movimento real, assim: Grupo A Simulação Grupo B Comunicação robo real Botão XYZ / Joint, seleciona entre posições de ângulo das juntas como posições cartesianas da garra do robô com relação a base. Para os botões no modo joint a seguinte linhas são executadas no visual basic: No modo Joint: eshedjoint2(n) = eshedjoint2(n) + inc inclementa na junta n ângulo de 1º SetImmediateJointPosition rrobot, eshedjoint2 Executa movimento

4 For j = 0 To rrobot.nummainaxes - 1 eshedjoint3( j ) = eshedjoint2( j ) Armazena valor atual na variavel aux Next j No modo XYZ: x = f(0) + 1 * inc Incrementa a posição x em 1 mm y = f(1) z = f(2) a = f(3) b = f(4) c = f(5) SetCartesianTeachpoint rrobot, TP1, x, y, z, a, b, c, "LUNB" MoveTo rrobot, TP1 With TP1 RCSJointPosToWsJointPos rrobot, rrobot.rrs.jointpos,.jointpos.isjointteachpoint = True End With For j = 0 To rrobot.nummainaxes - 1 eshedjoint2(j) = eshedjoint3(j) + eshedjoint(j) * 180 / 3.14 Next j SetImmediateJointPosition rrobot, eshedjoint2 Executa movimento 6 Manipulação do robô Eshed ER-5 via WorkSpace Uma vez executado a simulação do robô, passamos para a implementação, ou seja, realizar os movimentos no robô real. Neste ambiente de aprendizado basta selecionar o grupo B através da tecla group select no teach pendant, onde realizamos a simulação, todos os movimentos que eram enviados ao robô simulado agora passam a ser enviados ao robô real. RS232 Figura 09: Comunicação do WorkSpace com o Robô. O robô Eshed Robotec ER-5 é um robô didático de 5 eixos, configuração articulada (RRR), com uma capacidade de carga de 0,5 kg e um alcance máximo de 600 mm. Possui gripper elétrico, com abertura de 50 mm. É um dedicado ao ensino, mas com características simulares a um robô industrial. A programação é realizada em linguagem ACL (Advantage Control Language) e através de um aplicativo próprio realiza comunicação serial com um computador. Através da interface serial são transmitidos comandos e recebidos mensagens. É o meio de comunicação com o robô. Os parâmetros são: porta COM1, 8 bits, sem bit de stop e 1 bit paridade (8N1), 9600 bps. O controlador do robô interpreta mensagens de texto, assim, se enviar o texto open o robô abre a garra. E isto vale para todos os comandos do robô. O que estamos interessados neste momento é de uma instrução/comando que movimente o robô e possa ser enviado via RS232. Tal comando é shift e setpv que possui a seguinte sintaxe: shift position by <nº eixo> <nº pulsos de encoder> setpv position <nº eixo> <nº pulsos de encoder> shiftc position by <nome eixo> <décimos de mm> setpvc position <nome eixo> <décimos de mm> Quanto ao deslocamento cartesiano o comando necessita enviar o valor em décimos de milímetros, onde fora definido que será 10 dm (1mm). Mas para o incremento das juntas, definido como sendo 1º, torna-se necessário determinar quantos pulsos de encoder corresponde ao deslocamento da junta de 1º. Através de medições realizadas no robô ER-5, determinou-se que um deslocamento de 150 pulsos corresponde ao deslocamento de 1º na junta. Assim, uma tabela de comando é definida para cada informação que é necessária ser enviada ao robô. comando ação shift position by <enter> Incrementa junta 1 em 1º shift position by <enter> Incrementa junta 2 em 1º shift position by <enter> Incrementa junta 3 em 1º shift position by <enter> Incrementa junta 4 em 1º shift position by <enter> Incrementa junta 5 em 1º shift position by <enter> decrementa junta 1 em 1º shift position by <enter> decrementa junta 2 em 1º shift position by <enter> decrementa junta 3 em 1º shift position by <enter> decrementa junta 4 em 1º shift position by <enter> decrementa junta 5 em 1º shiftc position by x 10 <enter> incrementa eixo x em 1mm shiftc position by y 10 <enter> incrementa eixo y em 1mm shiftc position by z 10 <enter> incrementa eixo z em 1mm shiftc position by p 10 <enter> Reorienta eixo p em 1º shiftc position by r 10 <enter> reorienta eixo r em 1º shiftc position by x -10 <enter> decrementa eixo x em -1mm shiftc position by y -10 <enter> decrementa eixo y em -1mm shiftc position by z -10 <enter> decrementa eixo z em -1mm shiftc position by p -10 <enter> Reorienta eixo p em -1º shiftc position by r -10 <enter> reorienta eixo r em -1º open <enter> Abre o gripper close <enter> Fecha o gripper Tabela 01: comando para o Robô Eshed ER-5 Estes comandos podem serem testados, basta envia-lo como arquivo texto via RS232 através de uma aplicativo hiper-terminal ou outro aplicativo que comunique de forma serial. Para este ambiente que está sendo proposto, como o teach pendant para manipulação do robô, tanto simulado quanto real, fora escrito na linguagem visual basic, então é nesta linguagem que os comando serão enviados ao robô. Isto foi implementado no WorkSpace, onde cada comando foi vinculado a tecla correspondente à ação. Para implementação do canal de comunicação é necessário inserir no Visual Basic incorporado no WorkSpace, o objeto de controle MSComm.

5 Figura 10: Controle MSComm. Este controle é que implementa a comunicação RS232 no Visual Basic. Os comandos em visual basic que são enviados ao robô são os descritos a seguir: MSComm1.PortOpen = True Abre a porta de comunicação Com1 MSComm1.PortOpen = False fecha a porta de comunicação Com1 MSComm1.Output = "move 0" + Chr(13) Deloca o robô para o ponto de descanço MSComm1.Output = "open" + Chr(13) abre a garra MSComm1.Output = "close" + Chr(13) fecha a garra MSComm1.Output = "shift position by 1 150" + Chr(13) MSComm1.Output = "shift position by 1-150" + Chr(13) Deloca junta 1 em 1º MSComm1.Output = "shift position by 2 150" + Chr(13) MSComm1.Output = "shift position by 2-150" + Chr(13) Deloca junta 2 em 1º MSComm1.Output = "shift position by 3 150" + Chr(13) MSComm1.Output = "shift position by 3-150" + Chr(13) Deloca junta 3 em 1º MSComm1.Output = "shift position by 4-150" + Chr(13) MSComm1.Output = "shift position by 4 150" + Chr(13) Deloca junta 4 em 1º MSComm1.Output = "shift position by 5 150" + Chr(13) MSComm1.Output = "shift position by 5-150" + Chr(13) Deloca junta 5 em 1º MSComm1.Output = "shiftc position by x 10" + Chr(13) MSComm1.Output = "shiftc position by x -10" + Chr(13) Deloca do eixo x em 1mm MSComm1.Output = "shiftc position by y 10" + Chr(13) MSComm1.Output = "shiftc position by y -10" + Chr(13) Deloca do eixo y em 1mm MSComm1.Output = "shiftc position by z 10" + Chr(13) MSComm1.Output = "shiftc position by z -10" + Chr(13) Deloca do eixo z em 1mm MSComm1.Output = "shiftc position by p 10" + Chr(13) MSComm1.Output = "shiftc position by p -10" + Chr(13) Deloca do eixo p em 1mm MSComm1.Output = "shiftc position by r 10" + Chr(13) MSComm1.Output = "shiftc position by r -10" + Chr(13) Deloca do eixo r em 1mm 7 Conclusões O ambiente de aprendizagem de robótica propicia uma forma mais contextualizada. Manipulação do robô em simulação ou robô real é realizado no mesmo ambiente. Isto faz com que as comparações entre simulação e ensaio real sejam mais significativas. Uma vez que temos uma simulação significativa em relação ao modelo real, podemos realizar mais atividades de simulação antes de realizar os ensaios no robô real, e isto em termos de praticidade e custo é muito importante. A simulação pode ser feita em computador em local que mais conveniente ao aprendiz. Já o ensaio no robô real é necessário ser realizado em laboratório específico e, claro, é necessário o robô. Como aplicação, pode-se sugerir um laboratório virtual de ensino, onde as tarefas de simulação podem ser realizado em computador do próprio aprendiz e as tarefas de ensaio no robô real podem ser realizadas via internet, bastando implementar um sistema de captura de imagens e disponibilização ao aluno via internet. Referencial de pesquisa GODOI, Christiane Kleinübing. Categorias da Motivação na Aprendizagem f. Tese (Doutorado em Engenharia de Produção) Programa de Pós-graduação em Engenharia de Produção, UFSC, Florianópolis. HUMBERTO A. Guimarães, FREDERICO F. Elsner, V. H. CASANOVA Alcalde. Ambiente de experimentação em manipulação robótica usando uma estação robótica educacional e programação matlab. Brasília- DF SICILIANO,Bruno;SCIAVICCO,Lorenzo;VILLANI,Lui gi. Robotics: Modelling, Planning and Control. Ed Springer CRAIG,John J. Introduction to Robotics, Mechanics and Control. Second Edition. Ed Addison Wesley Longman: 1955 User Manual workspace 5.0. By Flow Software Technologies. Reference Guide ACL versão Eshed Robotec, 4ª edição. Apresentação Robótica 6ª Aula, Prof. Reinaldo Bianchi 06-A-Estatica-Dinamica.pdf <acesso em 20/04/2010> Apresentação Robot Dynamics Newton-Euler, R. Lindeke. Robot%20Dynamics%20%96%20Newton- %20Euler%20Recursive%20ApproachP3.ppt <acesso em 20/04/2010>