Projeto de um manipulador robótico com extremidade do tipo garra acionado por FPGA

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Machado, Menotti Erasmo da Silva
Data de Publicação: 2010
Outros Autores: Magalhães, Francisco Helano Sampaio de, Silva, Natanael Rodrigues da, Rocha, Pedro Hugo Menezes
Tipo de documento: Artigo de conferência
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
Texto Completo: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/61415
Resumo: This work focuses on the design and control of a robotic manipulator using FPGA (Field Programmable Gate Array) circuits. Three open-loop control strategies were developed to move the manipulator, through the activation of three bipolar stepper motors. The first strategy considers a manual control; the second one consists of a numerical control, and the third one uses fixed sequence control inputs. The manipulator structure is organized in three main parts: base, arm and claw. Each one of them with a stepper motor connected, making possible pitch and/or yaw movements. The manipulator is mechanically constituted by rotational and torsional joints, and its work space corresponds to a semi-spherical surface. The programming and simulation of the logical expressions used in the control algorithms were coded in VHDL (VHSIC Hardware Description Language), using the Altera Quartus II software. The generated code was synthesized on Cyclone II FPGA, which is part of the Altera DE2 development kit. The computer simulation results showed that digital control circuits correctly perform the scheduled tasks for all three tested control strategies. The developed robotic arm is able to execute three different and complementary movements: roll motion in the base, another to alight the arm that holds the claw, and a third to open or close it. It is remarkable that the flexibility obtained by the use of FPGA devices allows modifications of control strategies without the need of interrupting the operation of the implemented robotic system, which is a desirable feature in an industrial environment. The prototype can be used in environments where the task to be performed poses risks to human health, such as handling toxic and/or radioactive materials.
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The manipulator structure is organized in three main parts: base, arm and claw. Each one of them with a stepper motor connected, making possible pitch and/or yaw movements. The manipulator is mechanically constituted by rotational and torsional joints, and its work space corresponds to a semi-spherical surface. The programming and simulation of the logical expressions used in the control algorithms were coded in VHDL (VHSIC Hardware Description Language), using the Altera Quartus II software. The generated code was synthesized on Cyclone II FPGA, which is part of the Altera DE2 development kit. The computer simulation results showed that digital control circuits correctly perform the scheduled tasks for all three tested control strategies. The developed robotic arm is able to execute three different and complementary movements: roll motion in the base, another to alight the arm that holds the claw, and a third to open or close it. It is remarkable that the flexibility obtained by the use of FPGA devices allows modifications of control strategies without the need of interrupting the operation of the implemented robotic system, which is a desirable feature in an industrial environment. The prototype can be used in environments where the task to be performed poses risks to human health, such as handling toxic and/or radioactive materials.Este trabalho enfoca o projeto e o controle de um manipulador robótico utilizando circuitos integrados digitais reprogramáveis - FPGA - "Field Programmable Gate Array". Para a sua construção utilizou-se estruturas mecânicos de baixo custo, motores de passo, além de materiais recicláveis. São desenvolvidas três estratégias de controle em malha aberta para a movimentação do manipulador, através do acionamento de três motores de passo do tipo bipolar. O primeiro acionamento do tipo manual exige que o operador selecione os movimentos desejados a cada passo. Na segunda estratégia, que consiste em entrada numérica, o operador aciona através de chaves, o valor de três variáveis de entrada: sentido, estado, e a quantidade de passos para cada motor. A terceira estratégia é denominada seqüencial de seqüência fixa e utiliza uma série de movimentos independentes da atuação de um agente externo, exceto a de fornecer o comando de inicialização da seqüência programada. A estrutura do manipulador pode ser dividida em três partes principais: base, braço e garra. A cada uma existe um motor de passo acoplado, responsável pela realização dos movimentos, que podem ser do tipo arfagem e/ou guinada. O manipulador é mecanicamente constituído por juntas do tipo rotacional e torcional. A sua área de trabalho corresponde a uma superfície semi-esférica. A programação e a simulação das expressões lógicas utilizadas nos algoritmos de controle foram codificadas através da linguagem de descrição de hardware VHDL "VHSIC Hardware Description Language", utilizando a plataforma de software QUARTUS II da Altera. O código gerado foi sintetizado no circuito lógico reconfigurável Cyclone II do kit de desenvolvimento educacional DE2 da Altera. Os resultados obtidos através da simulação computacional mostraram que os circuitos de controle de lógica digital realizam corretamente as tarefas planejadas para as três estratégias de controle. O braço robótico com garra obtido é capaz de realizar três movimentos diferentes e complementares: um rotacional na base, outro para erguer ou apear a haste que sustenta a garra, e o terceiro destinado a abri-la ou fechá-la. Este manipulador mostra-se uma excelente ferramenta para o ensino introdutório da mecânica, da robótica, da lógica digital, da eletrônica, da programação e da automação, o que revela sua característica multidisciplinar. Destaca-se a flexibilidade obtida com o uso dos dispositivos FPGAs que permite a alteração das estratégias de controle sem a necessidade da interrupção da operação do sistema robótico implementado. Isso é uma característica desejável em um ambiente industrial que pode requerer modificações de estratégias de controle durante a produção. O protótipo desenvolvido pode ser utilizado em situações ou ambientes onde a tarefa a ser realizada ofereça riscos à saúde humana, tais como em manipulação de materiais tóxicos e/ou radioativos.https://www.abcm.org.br/anais/conem/2010Manipulador robóticoMotor de passoControle digitalFPGAVHDLProjeto de um manipulador robótico com extremidade do tipo garra acionado por FPGADesign of a manipulator with end type grab powered by FPGAinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/conferenceObjectporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFCinfo:eu-repo/semantics/openAccessLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/61415/2/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52ORIGINAL2010_eve_medasmachado.pdf2010_eve_medasmachado.pdfapplication/pdf720625http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/61415/1/2010_eve_medasmachado.pdf71eba0aa0b8c136681fbea1c1cd54e61MD51riufc/614152022-05-05 14:23:02.721oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2022-05-05T17:23:02Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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