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Título: Robô hexápode controlado por FPGA
Autor(es): Fontoura, Felipe Michels
Nascimento, Leandro Piekarski do
Gioppo, Lucas Longen
Orientador(es): Lima, Carlos Raimundo Erig
Palavras-chave: Robôs
Robôs - Programação
Arranjos de lógica programável em campo
Robots
Robots - Programming
Field programmable gate arrays
Data do documento: 14-Mai-2013
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: FONTOURA, Felipe Michels; NASCIMENTO, Leandro Piekarski do; GIOPPO, Lucas Longen. Robô hexápode controlado por FPGA. 2013. 161 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2013.
Resumo: Robôs hexápodes são comumente utilizados como ferramenta de estudo de robótica, logo é de interesse acadêmico a elaboração de um robô hexápode com especificação aberta. O objetivo geral do projeto descrito é desenvolver um robô hexápode controlado por uma FPGA, recebendo comandos de um computador. O desenvolvimento segue o processo de desenvolvimento em espiral, em três etapas: projeto, construção e testes. Foram necessários diversos estudos para sua concretização, especialmente o da cinemática inversa. O projeto constitui-se de seis partes: mecânica do robô, eletrônica dos motores, hardware de controle robô, firmware, driver de comunicação e software de interface gráfica. A estrutura mecânica é a MSR-H01, desenvolvida pela Micromagic Systems, com três motores por pata. Utilizaram-se seis motores Corona DS329MG nos ombros, e doze BMS-620MG nas demais articulações, todos alimentados por uma fonte ATX (140W em regime na linha de 5V), isolada do restante do hardware por acoplamento ótico. O hardware de controle do robô engloba a FPGA e seus periféricos: os optoacopladores dos motores, o magnetômetro (HMC5883), o acelerômetro (ADXL345) e o módulo XBee. A FPGA gera os sinais de controle para os motores e para os demais dispositivos e embarca um processador NIOS II, com arquitetura RISC de 32 bits de até 250 DMIPS. O firmware, desenvolvido em linguagem C++, é responsável pela leitura dos sensores, por enviar sinais de controle para os motores e por comunicar-se com o driver, desenvolvido em Java, através do módulo XBee. O software de interface gráfica permite ao usuário enviar comandos de movimentação para o robô através do driver e apresenta leituras dos sensores. O resultado final foi um robô capaz de movimentar-se usando cinemática e diversas tecnologias acopladas. Tecnologicamente, o projeto se destaca pela extensibilidade, pois a FPGA permite reprogramação do hardware e o software é modular. Socioeconômicamente, a flexibilidade do robô permite utilização em atividades de ensino e pesquisa. Além disso, sua documentação e sua especificação são abertas, de forma que é possível replicá-lo sem grande esforço.
Abstract: Hexapod robots are commonly used as platform for studies on robotics, hence it is of academic interest to develop such kind of robot with open specifications. The main goal ot this project is the development of a hexapod robot controlled by FPGA, receiving high-level commands from a computer. The development follows a spiral model in three stages: project, development and tests. Many studies were necessary in order to make the project possible, especially those regarding inverse kinematics. The project itself is divided in six parts: robot mechanics, motor electronics, robot control hardware, firmware, driver and user interface software. The robot is based on a MSR-H01 mechanical structure developed by Micromagic Systems which requires three motors per leg. There are six Corona DS329MG motors on the shoulders, and twelve BMS-620MG on other joints, all supplied by an ATX power source (140W at 5V) and optically isolated from remaining hardware. The robot control hardware includes the FPGA and its peripherals such as optocouplers, magnetometer (HMC5883), accelerometer (ADXL345) and the XBee device. The FPGA generates the control signals for the servos and other devices while embedding a NIOS II processor with 32-bit RISC architecture, capable of performances up to 250 DMIPS. The firmware was developed in C++ and is responsible for reading the sensors, sending control signals to the servos and connecting to the driver, developed in Java, through the XBee channel. The user interface software allows the user to send commands to the robot through the driver and displays readings from the sensors. The result was a robot capable of moving using a combination of inverse kinematics and other technologies. Technologically, the project has the quality of being extensible, as the FPGA allows hardware reprogramming and the software is split into individual modules. Socioeconomically, the flexibility of the robot allows using it for both teaching and research. It is also remarkable that its specification is open and so more robots like this one can be made with little effort.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/954
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