Mão robótica controlada por uma luva

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1 Mão robótica controlada por uma luva Daniel Galves Martins 1, Érico Pessoa Felix, Fabíola Tocchini de Figueiredo Kokumai¹, Gabriel Watanabe 1, Luís Bento de Sant Ana 1 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP)-Campus Salto-SP-Brasil. daniel.galves3005@gmail.com, ericopfelix@ifsp.edu.br, fabiolatdef@ifsp.edu.com.br, gabrielwatanabe1998@gmail.com, l- bento99@hotmail.com Abstract. The objective of this Project is build a glove to control a robotic hand. The glove will communicate with the hand using radio frequency signals. The hand will do the same movements of the glove, moving like a mirror. This condition makes the robotic hand an exact manipulator, helping in dangerous jobs. Resumo. Este projeto tem como objetivo a confecção de uma luva controladora e uma mão robótica. A luva estabelecerá uma comunicação com a mão robótica através de rádio frequência, fazendo assim com que os movimentos, feitos pelo usuário que está com a luva controladora, sejam copiados pela mão, fazendo dela um manipulador extremamente preciso e que pode ajudar funcionários em, por exemplo, regiões insalubres. 1. Introdução A mão humana, assim como outros órgãos, é essencial para realizar tarefas cotidianas. Sua movimentação e exatidão de movimentos permitem a manipulação de simples objetos até funções que exigem alta precisão e controle, como por exemplo, cirurgias. Além disso, a função da mão humana não pode ser substituída em tarefas que envolvem riscos de vida para outros seres e não há opção de substituição por movimentos ensaiados de máquinas. A alternativa encontrada, com o desenvolvimento da tecnologia, é a utilização de ferramentas e peças especificamente projetadas para serem manipuladas pela mão humana. Desde o século XVIII a biomecânica da mão humana vem sendo estudada para ser aplicada como um modelo para dispositivos mecânicos. A aplicação deste trabalho pode ser encontrada em áreas industriais, manipulação de componentes radioativos e telecirurgia, por exemplo. Porém sua utilização em telecirurgia somente será possível quando conectada a uma mão robótica, que também é um dos focos deste projeto, devido às suas características anteriormente citadas e sua capacidade de adaptação aos projetos a ela apresentados. Neste projeto uma mão robótica construída artesanalmente será controlada a curta distância utilizando um sistema de transmissão de informações por radiofrequência. Para que ocorra o controle da mão robótica será utilizada uma luva controladora com sensores do tipo flex, que irão emitir sinais para a mão de acordo com o movimento realizado naquela, com a intenção de que a mão copie o movimento realizado pelo usuário da luva.

2 1.1 Objetivos Este projeto visa a confecção e a apresentação de uma luva controladora que opera por rádio-frequência. Quando o usuário colocar a luva será possível que ele controle a mão robótica de acordo com seus movimentos, com quase nenhum atraso de resposta, ou seja, ao movimentar um dedo de determinado modo a mão irá detectar o sinal enviado e copiará o mesmo movimento. Neste projeto, algumas partes estruturais foram concluídas, porém o projeto por si só não foi finalizado. 2. Materiais e Métodos Como princípio de funcionamento, os sensores Flex (resistências variáveis que mudam o seu valor quando dobrados) estão ligados a um divisor de tensão com resistências de um valor constante. O Arduino lê a variação de tensão quando os sensores são dobrados e aciona os servos para fazer um movimento proporcional. Os servos puxam os fios que atuam como tendões, permitindo que os dedos se movam. O sensor Flex utilizado no projeto pode ser observado na Figura 1. A transmissão dos dados para a movimentação da mão robótica se dará por radiofrequência. Figura 1 Sensor Flex. Fonte: SensorFlex Sabe-se que servo motores são motores capazes de se moverem em escala de graus, havendo a necessidade de informação pelo usuário através de uma interface eletrônica ou por um micro controlador. No caso deste projeto é possível fazer com que os dedos fiquem em qualquer posição entre o aberto e o fechado, dobrado ou não dobrado, de acordo com o posicionamento dos servos motores e dos ângulos especificados. A mão que será controlada à distância foi construída artesanalmente utilizando retalhos de madeira. A palma, de madeira, é formada por duas peças: uma de 6 cm x 8.5 cm e outra de 3 cm x 8.5 cm. Os dedos, também construídos em madeira, possuem a dimensão de 7.5 cm no indicador, 8.5 cm no médio, 8 cm no anelar, 6.5 cm no mindinho e 6 cm no polegar. Todos os dedos do protótipo possuem a união das juntas e a união dos dedos ao punho por fitas elásticas. A utilização de fitas elásticas é importante para que quando o servo motor volte ao seu estado inicial o dedo possa voltar sem que haja necessidade de outro movimento. O protótipo construído da mão artesanal é mostrado na Figura 2.

3 Figura 2 - Protótipo da mão robótica artesanal. Para a programação do protótipo foi utilizado o micro controlador Arduino, sendo o modelo Uno. Este microcontrolador é difundido no meio acadêmico e de fácil aquisição e manipulação. Um exemplo deste micro controlador é o mostrado na Figura 3. Figura 3 Arduino Uno. (Fonte: Arduino Uno) 2.1 Projeto Mecânico Para a construção do projeto da mão robótica foi necessária a confecção do protótipo com seis servo motores, sendo cinco um para cada dedo e um para a palma da mão. Para a movimentação dos dedos foi colocada uma linha de pesca na ponta de cada dedo, alinhada por pequenos pedaços de tubo. Também foram usados pedaços de meio centímetro de mangueira para a construção dos dedos. Em cada pedaço desta mangueira são alocados aos servomotores, que com seu acionamento faz a movimentação da linha e assim o dobramento dos dedos. A mão robótica construída artesanalmente é apresentada na Figura Projeto Elétrico e Eletrônico Foi utilizada uma protoboard para montar e testar o circuito eletrônico do projeto da mão robótica, sendo a programação realizada em C (Adaptada). Atualmente, estuda-se a troca

4 desta protoboard por uma placa de circuito impresso. A bateria utilizada será uma LiPO de 7,4v. O circuito eletrônico será baseado no da Figura 4, mas com 5 sensores Flex ao invés dos 2 mostrados, estando todos eles acoplados à luva. O circuito do projeto ainda não será apresentado pois está em processo de construção. Figura 4 Esquematização exemplificada. (Fonte: Circuito eletrônico) Como já dito antes, a luva terá cinco sensores Flex, estando eles conectados a uma placa ilhada, com os componentes mostrados na Figura 4, juntamente com um Arduino Uno. A luva será utilizada para controlar á distância a mão robótica construída artesanalmente. Para a confecção da luva foi escolhida uma com isolamento elétrico para que assim fosse possível conectar os componentes, e até o próprio Arduino, diretamente. Ela também foi adaptada em seus dedos para que fosse possível acoplar os sensores flex, sem que os mesmos fossem presos diretamente, pelo fato de que isso poderia acarretar um mau funcionamento dos mesmos. O protótipo da luva é representado na Figura 5. Figura 5 Luva Controladora. Também são utilizados capacitores de 1uF, para diminuir a variação de tensão dos sensores. De acordo com a programação, o Arduino faz a leitura dos pinos analógicos, depois faz uma amostragem e dessa amostragem, faz uma média. Depois de calculada a

5 média das amostras, o Arduino converte para posição em graus com a função map. Por fim, o Arduino envia essa posição em graus para os motores. 3. Resultados Foi possível construir o protótipo de mão robótica utilizando todas as peças descritas no capítulo anterior, Materiais e Métodos, e iniciar os primeiros testes para a movimentação dos dedos deste protótipo utilizando a luva. As figuras 2 e 5 apresentam a construção finalizada do projeto até o momento. Utilizando um modulo de radiofrequência foi possível estabelecer as primeiras conexões entre a luva e a mão-robótica e iniciar os primeiros testes para que a mão movimentasse os cinco dedos. Os movimentos inicialmente não foram precisos e não se observou a habilidade da mão robótica em segurar objetos, mesmo que leves. Estuda-se, no momento, os possíveis motivos para que a mão não segure objetos e uma hipótese é a transmissão de informações e a programação utilizada no projeto. É necessário realizar um estudo mais aprofundado para obter resultados e conclusões mais precisas. O custo do projeto foi, aproximadamente, 200 (duzentos) reais. Porém existem peças que podem ser trocadas para que haja melhoria no projeto inicial. A troca ou alteração das peças não influenciará o projeto em seu custo ao ponto de torná-lo inviável economicamente. 4. Conclusões Os componentes adquiridos para a elaboração deste projeto não requisitaram grandes esforços econômicos. A mão-robótica é capaz até de substituir manipuladores eletrônicos por sua maior mobilidade e adaptabilidade às suas funções. A mão robótica mostra possibilidade de opções, estudos e aprimoramentos que torna o projeto desafiador. Porém, por processos de produção em massa exigirem maior complexidade de programação, não é recomendável sua utilização para tais propósitos. Este projeto pode ser considerado relativamente complexo, pois o estudo e desenvolvimento de protótipos deste tipo é, de certa maneira, novo. Assim, há necessidade de mais exploração e estudo do tema para que haja aprofundamento e entendimento das diversas funcionalidades e aplicabilidade. Além disso, conclui-se que durante o desenvolvimento do projeto houve o crescimento acadêmico dos membros que fazem parte do corpo estudantil. Os estudantes tiveram a oportunidade de se aprimorar durante a construção e montagem do protótipo, manipulação de componentes eletrônicos e exercitar habilidades de programação. Sugere-se para trabalhos futuros o desenvolvimento do protótipo para que consiga manusear objetos de grande porte e pequeno peso e que não precise de uma precisão de alto nível. Por fim, sugere-se uma melhoria da estética da mão com a utilização de softwares de modelagem tridimensional e a possível impressão das peças componentes da mão em uma impressora 3D. 5. Referências Aula de Anatomia. Ossos da mão. Disponível em: < Acesso em: 19/09/2015 as 18:30.

6 Arduido uno. Disponível em: Imagem adquirida em: Acesso em: 22/05/2016 Circuito Eletrônico. Disponível em: Acesso em: 22/05/2016 Hype Science : Porque sua mão é uma das peças mais complexas e belas da engenharia natural do corpo humano. Disponível em: < Acesso em: 19/09/2015 as 18:50. Langevin, G. InMoov2 Hand Progress : InMoov2 progresso da mão. Disponível em: < Acesso em: 19/01/2016 as 18:00. Laboratório de garagem. Disponível em: Controle de servomotor com as mãos utilizando sensor flex e Arduino. Disponível em: < tz*wey80jywuwdx-dhid1goqdw0kvk0gwo177ddq3stwi4ngtfhqju5vrdlq6cv8vw9l5ozy3tfx g191rtiubwhzsxqwl/ligacoesservoflex.png> Acesso em: 18/04/2016 às 17:20. Sensor flex. Disponível em: < 7iMt9WLuNedu*y0oJ3gG3azK2ZcezDgA6--UqHhAn0LItjYo7SwwEr5aqE4g2ZP6VhlYpKi3fsbJKb01/flexsensor1.jpg> Acesso em: 22/05/2016