Curso Profissional de Electrónica, Automação e Comando
Disciplina de Automação e Comando
Módulo: Robótica

Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 4

Parte 4

8. Graus de Liberdade

Os graus de liberdade são um dos parâmetros mais importantes dos braços robóticos, pois são eles que determinam os movimentos que o robot pode fazer no espaço a duas ou três dimensões.

Cada junta define um ou dois graus de liberdade, pelo que o número de graus de liberdade de um robot se obtém fazendo uma soma de todos os graus de liberdade impostos por cada uma das suas juntas.

Quando o movimento pode ocorrer em apenas um único eixo, diz-se que a junta tem um grau de liberdade; caso o movimento se possa dar em mais do que um eixo, a junta tem dois graus de liberdade, como na figura abaixo é mostrado.

Figura 7 – Braços com um e dois graus de liberdade

Quanto maior for o número de graus de liberdade, maior é a complexidade da cinemática, a dinâmica e o controlo do braço.

O número de graus de liberdade de um robot está associado ao número de variáveis posicionais independentes que permitem definir a posição de todas as partes de forma unívoca.

Os movimentos robóticos podem ser separados em movimentos do braço e do punho.

Em geral, os braços têm 3 accionadores e uma configuração 3GL, numa configuração que permita que o órgão terminal alcance um ponto qualquer dentro de um espaço limitado em redor do braço.

8.1. – Em qualquer braço podem ser identificados três tipos de movimento independentes:
8.1.1. – Vertical Transversal
Movimento vertical do punho, para cima ou para baixo.
8.1.2. – Rotacional Transversal
Movimento do punho horizontalmente, para a esquerda e para a direita.
8.1.3. – Radial Transversal
Movimento de aproximação ou afastamento do punho.

Os punhos apresentam 2 ou 3 graus de liberdade.

As juntas dos punhos são agrupadas num volume pequeno para que não movimentem em demasia o órgão terminal quando são accionadas.

8.2. – Os movimentos do punho têm nomes específicos:
8.2.1. – Roll / Rolamento
Rotação do punho em torno do braço
8.2.2. – Pitch / Arfagem
Rotação do punho para cima e para baixo
8.2.3. – Yaw / Guinada
Rotação do punho para a esquerda e para a direita

Figura 8 – Movimentos possíveis aos punhos com 3GL

9. Questionário (IV)

1. Por que motivo são os Graus de Liberdade um dos parâmetros mais importantes do braços robóticos?
2. Explique como se determina o número de graus de liberdade de um robot.
3. O que entende por “junta com um grau de liberdade”?
4. O que entende por “junta com dois graus de liberdade”?
5. Que tipo de movimentos apresenta um robot?
6. Caracterize o movimento Rotacional Transversal.
7. Quantos graus de liberdade pode apresentar, no máximo, um punho de robot?
8. Quais os tipos de movimento possíveis a um punho?
9. Caracterize o movimento Yaw/Guinada
10. A figura representa os movimentos possíveis num punho com 3 Graus de Liberdade. Cada junta é responsável por cada um dos movimentos.
Identifique, junto de cada junta, o movimento pelo qual ela é responsável.

Aqui ficam as planificações que tive de fazer este ano e que podem aproveitar, nem que seja de forma parcial, a alguém.
Em cada um dos três casos há uma versão desenvolvida e outra resumida.

1. Curso Profissional de Técnico de Electrónica, Automação e Comando
Automação e Comando – 12º Ano – Módulos 8 (Projecto com Autómatos) e Módulo 9 (Robótica);
2. Curso Profissional de Técnico de Electrónica, Automação e Comando
Tecnologias Aplicadas – 12º Ano – Módulo 9 (Técnicas de Manutenção) e 10 (Práticas Oficinais);
3. Educação Tecnológica – 6º Ano de Escolaridade.

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Curso Profissional de Electrónica, Automação e Comando
Disciplina de Electricidade e Electrónica
Módulo: Osciladores
Disciplina: Automação e Comando
Módulo: Robótica

[…continuação]

Modulação por Largura de Impulso (PWM) – Parte 3/4

4. Aplicações – Controlo da luminosidade/brilho de um LED e de um display de 7 segmentos (leds)

É agora a altura de pôr este circuito a funcionar com um driver de motor…

Temos um circuito simples para gerar uma modulação de largura de impulso com duty-cycle variável. As próximas secções são dedicadas a aplicações em que esse circuito PWM é ligado a um componente electrónico.

4.1. Controlo do Brilho de um LED

Para efeitos de teste, é melhor começarmos com uma carga simples, pequena e segura. Vamos começar tentar ajustar o brilho de um LED com a onda quadrada modulada em largura de impulso.

Figura 6 – Esquema de um LED ligado à onda quadrada de saída do circuito PWM.

–> Ligue uma resistência de 180 ohm e um LED de qualquer cor ao pino 4 do CI 74AC14, como se mostra no esquema acima.

–> Rodando o cursor do potenciómetro alteramos o valor do “tempo a ON” que o LED recebe, o que lhe modifica o seu brilho.

–> Se o LED não acender, verifique se ele está bem ligado ou se o ligou ao contrário.

–> Se brilhar muito qualquer que seja a posição do potenciómetro, utilize uma resistência de menor valor em série com o LED. Ou, talvez esteja a usar um circuito integrado de saída mais fraca, como o 74HC14, em vez do recomendado 74AC14.

–> O cursor do potenciómetro pode não funcionar exactamente como estava à espera, pois rodá-lo para a esquerda pode fazer o brilho do LED aumentar e não diminuir. Isso é porque a saída da primeira porta lógica inversora está a ser invertida outra vez pela segunda porta lógica. Ou seja, a saída é o oposto do sinal original.
Se pretender pode corrigir este problema, alimentando a saída do pino 4 na entrada do pino 5 (e desligar o pino 5 da terra – GND). Isto inverterá o sinal mais uma vez, de forma a que o pino de saída 6 baterá certo com a polaridade do pino 2. Contudo, não utilize o pino 2 directamente, porque ligar uma carga (o LED) alterará a carga e a descarga do condensador.
Uma outra opção: Em vez de usar uma porta lógica extra, pode rodar o LED e ligar o seu ânodo a +5V em vez de à terra (GND). Ou pode, simplesmente, ignorar esta situação.

–> Assumindo que consegue agora controlar o brilho de um LED, poderá perguntar-se a si próprio para que servirá todo este circuito complexo, quando podia simplesmente ligar um LED a um potenciómetro para controlar o seu brilho.
Bem, tem razão. O exemplo do LED é apenas para efeitos de diagnóstico/teste.

Para que o circuito PWM valha a pena ser montado e mostre todas as suas capacidades insubstituíveis, ele deverá controlar cargas variáveis, ou cargas maiores do que um simples potenciómetro pode fazer.

4.2. Controlo do Brilho de Vários LEDs ou Display de 7-Segmentos (leds)

Vamos começar com um esquema imperfeito de um circuito para controlo de brilho de um LED. Pode tentar utilizar este circuito numa breadboard, mas não o utilize na vida real porque ele não controla o brilho muito bem.

Figura 7 – Esquema de um potenciómetro controlando directamente o brilho de um display de 7-segmentos numérico, feito com leds.

Um display de 7-segmentos numérico pode mostrar números entre 0 e 9, assim como algumas letras e símbolos.

Cada LED individual (segmento) tem uma resistência limitadora de corrente para o proteger contra a possibilidade de brilhar mais do que o suportado, o que corresponde a, digamos, cerca de 20 mA.

Os segmentos (LEDs) são controlados por um CI (um microcontrolador ou um CI específico para o display de leds) que pode ligar e desligar individualmente cada um dos LEDs, aplicando 5V aos seus terminais de ânodo (com a indicação de ‘a’ a ‘g’). Para efeitos de teste, pode esquecer o integrado de controlo do display e ligar simplesmente fios condutores dos 5V para as resistências dos LEDs que quer acender.

Este é um display de cátodo-comum. Isto significa que todos os LEDs partilham o mesmo fio/terminal de terra (GND), 0V, no seu cátodo.

Até agora temos apenas boa engenharia 🙂

Um principiante em electrónica colocou um potenciómetro no lado do cátodo, como se vê na figura, para controlar o brilho.

Com o número ‘1’ iluminado no display (os dois leds mais à direita acesos), o principiante ajusta o brilho para um nível satisfatório.

Agora vem o problema. O número ‘8’ é então mostrado, o que faz acender todos os 7 segmentos do display. O display está agora muito menos brilhante que anteriormente, porque os 7 LEDs estão agora a partilhar a resistência do potenciómetro, que tinha sido ajustada para apenas 2 LEDs 🙁

Concluímos pois que uma resistência variável única não funciona quando a carga muda (de dois LEDs para 7 ou vice-versa).
Em vez de tentar alterar a resistência para modificar o brilho, vamos antes alterar o nosso velho “tempo a ON” e, consequentemente, o “tempo a OFF”.

Figura 8 – Esquema de um modulador de largura-de-impulso (PWM) controlando o brilho de um display numérico de 7-segmentos.

Este circuito é quase igual ao anterior. A diferença é que o potenciómetro foi substituído.

A onda quadrada de duty-cycle variável do circuito PWM é alimentada através de uma resistência (R3) para um transístor (Q3) e para o cátodo comum de todos os LEDs.

O transístor é o interruptor de luz. Quando a onda está HIGH, o transístor liga os LEDs. Quando a onda está LOW, o transístor desliga os LEDs.

Como o PWM é mais rápido do que o olho humano consegue detectar (1 kHz, neste exemplo), o ligar/desligar do transístor (piscar dos leds) não é visível.

Mas a relação global entre o “tempo a ON” e o “tempo a OFF” muda o brilho dos LEDs ao longo do tempo, qualquer que seja o número de LEDs estejam ligados. Esta é uma mudança digital que afecta todos os LEDs da mesma forma (estão ON ou OFF).

Q3: Um transístor bipolar standard, como o 2N3904 ou o 2N2222. O transístor é necessário porque este display pode precisar até 140 mA (7 LEDs x 20 mA cada) e o pino de saída do 74AC14 só consegue fornecer 25 mA. Pode usar um transístor mais potente (Zetex 4 amp ZTX1047A) para displays maiores contendo mais LEDs.
R3: Uma resistência de 1 kohm. Esta resistência limitadora-de-corrente não afecta o brilho. É apenas necessária para evitar que uma corrente muito elevada possa fluir através da base do transístor.
Tem agora à sua disposição, depois de tudo o que foi dito, uma técnica para ajustar a potência entregue a uma carga grande ou a uma carga variável (utilize um transístor e um circuito PWM).

Um motor pode ser considerado ambas as coisas: carga elevada e variável. Vamos tentar…

[continua…]