Controlando braço robótico com Joystick

Mais um tutorial para quem curte robótica, dessa apreenderemos como controlar um braço robótico usando um Arduino UNO e dois módulos joystick.

Usaremos um Braço Robótico de MDF com 4 servos motores 9G, a parte eletrônica será montada em uma protoboard de 830 pontos, onde faremos as ligações dos dois módulos joysticks.

Material Necessário

Você pode também comprar o Kit Completo deste tutorial clicando neste link.









Montando o Projeto

A primeira parte é a montagem do Braço Robótico com os 4 Servos, nesta etapa não temos nenhum conceito de programação ou eletrônica envolvidos, basta montar o braço e os servos, como neste tutorial o nosso foco é a eletrônica e a programação, não vamos detalhar o processo de montagem do braço, mas você pode baixar um tutorial neste link, dependendo do modelo de braço que você comprou pode haver algumas diferenças como o tutorial do link, mas no geral este tutorial atende muito bem.

Após a montagem, o braço deve estar como na imagem abaixo:

Agora que o braço está montando, vamos partir para a montagem dos joysticks na protoboard, que na verdade é bastante simples, montar o braço em si é até mais complicado!

A conexão dos joysticks, servos e Arduino ficará assim:

Cada Joystick controlará dois servos motores, movimentando o joystick na horizontal (eixo X) um dos servos receberá os comandos deste movimento, e movimentando na vertical (eixo Y) um outro servo receberá essas instruções de movimento, e assim controlaremos 4 servos usando dois joysticks.

Cada joystick tem 5 pinos (GND, 5V, VRX, VRY, SW), vamos utilizar os 4 primeiros pinos. Param começar iremos conectar o GND (conexão preta) e o 5V (conexão vermelha) de cada joystick nos respectivos GND e 5V da protoboard (parte superior da protoboard na imagem), e depois faremos o mesmo com o GND e 5V do Arduino.

Agora ligaremos os pinos VRX e VRY de cada joystick no Arduino, teremos VRY (conexão azul) na entrada A0 e VRY (conexão verde )na entrada A1 do Arduino, isto para o joystick esquerdo.

Para o joystick direito, ligaremos o pino VRY (conexão azul) na entrada A3 e o pino VRX (conexão verde) na entrada A2 do Arduino.

Essas conexões dos joystick serão responsáveis por “capturar” o movimento feito e enviar um valor correspondente para o Arduino, que enviará um comando de movimento para os servos.

E falando em servos, vamos conectar o GND (conexão preta) e o 5V (conexão vermelha) de cara micro servo nos respectivos GND e 5V da protoboard (como pode ser visto na parte superior da imagem).

Obs.: O pino/fio da terra do micro servo pode ser preto ou marrom, o fio de energia é vermelho e o de sinal é amarelo ou laranja.

Agora vamos conectar o fio de sinal dos servos (conexão amarela/laranja) no Arduino, o fio de sinal da base será ligado na porta 11, o da garra será ligado na porta 6, o de extensão será ligado na 10 e o de altura ligaremos na 9.

Abaixo segue uma tabela detalhando as ligações desse projeto:

Abaixo segue uma imagem da montagem final do projeto:

//Para usar a biblioteca VarSpeedServo
#include "VarSpeedServo.h"

//Definição dos objetos servos do braço robótico
VarSpeedServo servo1;//Base
VarSpeedServo servo2;//Extensão
VarSpeedServo servo3;//Altura
VarSpeedServo servo4;//Garra

//Definição das entradas analogicas do Joytick
//Joystick Esquerdo
int potpin1 = A0;//VRy
int potpin2 = A1;//VRx
//Joystick Direito
int potpin3 = A2;//VRx
int potpin4 = A3;//VRy

//Variaveis
int val1;
int val2;
int val3;
int val4;

//Valores iniciais de posição de cada servo
static int s1 = 70;
static int s2 = 110;
static int s3 = 100;
static int s4 = 80;

/*
A função setup() é executada apenas uma vez no inicio do programa.
Emite instruções para preparar o programa antes que o loop principal
seja executado.
*/
void setup()
{
 Serial.begin(9600);//Inicia a porta serial, configura a taxa de dados para 9600bps
 //Anexa o objeto servo ao pino
 servo1.attach(11); //Base, pino digital 11
 servo2.attach(10); //Extensão, pino digital 10
 servo3.attach(9); //Altura, pino digital 9
 servo4.attach(6); //Garra, pino digital 6
 //Move todo o braco para posicao inicial
 servo1.write(70);//Base
 servo2.write(110);//Extensão
 servo3.write(100);//Altura
 servo4.write(80);//Garra
}

//A função loop()executa continuamente enquanto o Arduino estiver ligado
void loop()
{
 //Controle da base do braço
 val1 = analogRead(potpin1);//Lê o valor do pino analógico especificado(A0VRy, joystick Esquerdo)
 //Para direita
 if (val1 < 100)
 {
   s1 = s1 - 2;
   if (s1 <= 10)
   {
     s1 = 10;
   }
 servo1.write(s1);//Posição em graus para o servo
 delay(50);//Espera 50 milessegundos
 }

//Para esquerda
 if (val1 > 900)
 {
   s1 = s1 + 2;//soma
   if (s1 >= 170)
   {
     s1 = 170;
   }
  servo1.write(s1);
  delay(50);
 }

 // Controle da extensão do braço
 val2 = analogRead(potpin2);
 //Para trás
 if (val2 > 900)
 {
   s2 = s2 - 2;
   if (s2 <= 10)
   {
     s2 = 10;
   }
  servo2.write(s2);
  delay(50);
 }

 //Para frente
 if (val2 < 100)
 {
  s2 = s2 + 2;
  if (s2 >= 170)
 {
   s2 = 170;
 }
  servo2.write(s2);
  delay(50);
 }

 // Controle da altura do braço
 //Abaixar o braço
 val3 = analogRead(potpin3);
 if (val3 < 100)
 {
  s3 = s3 - 2;
  if (s3 <= 10)
 {
  s3 = 10;
 }
  servo3.write(s3);
  delay(50);
 }

 //Levantar o braço
 if (val3 > 900)
 {
   s3 = s3 + 2;
   if (s3 >= 170)
   {
     s3 = 170;
   }
   servo3.write(s3);
   delay(50);
 }

 // Controle da garra do braço
 val4 = analogRead(potpin4);
 //Abrir a garra
 if (val4 < 100)
 {
   s4 = s4 - 2;
   if (s4 <= 80)
   {
    s4 = 80;
   }
  servo4.write(s4);
  delay(50);
 }

//Fechar a garra
 if (val4 > 900)
 {
   s4 = s4 + 2;
   if (s4 >= 130)
 {
   s4 = 130;
 }
 servo4.write(s4);
 delay(50);
 }

 //Exibe os valores analogicos na tela
 Serial.print(val1);
 Serial.print(" : ");
 Serial.print(val2);
 Serial.print(" : ");
 Serial.print(val3);
 Serial.print(" : ");
 Serial.print(val4);
 Serial.println();
}

Mergulhando no projeto

Software

Primeiramente devemos fazer o download da biblioteca VarSpeedServo e depois adiciona-la as bibliotecas existentes da sua instalação do Arduino, neste vídeo você pode ver como adicionar novas bibliotecas no Arduino.

Na primeira linha estamos adicionando a biblioteca VarSpeedServo no projeto.

#include
"VarSpeedServo.h" //Para usar a biblioteca VarSpeedServo

Depois vamos instanciar 4 objetos (neste caso estamos falando de programação orientada a objetos) da biblioteca VarSpeedServo, um para cada servo do projeto, é através desses objetos, que vamos passar os comandos para os servos motores.

VarSpeedServo servo2;//Extensão
VarSpeedServo servo1;//Base
VarSpeedServo servo3;//Altura
VarSpeedServo servo4;//Garra

Depois vamos definir as entradas analógicas de cada joystick:

//Joystick Esquerdo
int potpin1 = A0; //VRy 
int potpin2 = A1; //VRx

//Joystick Direito 
int potpin3 = A2; //VRx 
int potpin4 = A3; //VRy 

Neste trecho acima estamos definindo onde cada pino, de cada joystick será conectado no Arduino. A abreviatura potpin significa: potênciometro-pino, como veremos na parte de hardware o módulo joystick tem dois potenciômetros “embutidos”.

Depois vamos instanciar algumas variáveis que usaremos no código:

//Valores iniciais de posição de cada servo
static int s1 = 70;
static int s2 = 110;
static int s3 = 100;
static int s4 = 80;

Depois temos a função setup onde vamos configurar a porta serial e os objetos dos servos:

//Inicia a porta serial, configura a taxa de dados para 9600 bps
Serial.begin(9600);

//Anexa o objeto servo ao pino correspondente
servo1.attach(11); //Base, pino digital 11
servo2.attach(10); //Extensão, pino digital 10
servo3.attach(9); //Altura, pino digital 9
servo4.attach(6); //Garra, pino digital 6
//Move todo o braço para posição inicial
servo1.write(70);//Base
servo2.write(110);//Extensão
servo3.write(100);//Altura
servo4.write(80);//Garra

Depois temos a função loop onde vamos receber os valores dos joysticks e os enviar para os servos, e  com este valores iremos fazer a lógica de movimentação do braço.

Controle da base do braço:

     val1 = analogRead(potpin1); //Lê o valor do pino analógico especificado(A0 VRy, joystick Esquerdo)
  

Movimentando a base do braço para a direita:

if (val1 &lt; 100) //Se o valor do pino analógico val1 é menor que 100<br>
{<br>
 s1 = s1 - 2; //Subtrai 2 de s1<br>
 if (s1 &lt;= 10)//Se o valor de s1 é menor e igual a 10<br>
 {<br>
   s1 = 10; //É designado 10 a s1<br>
 }<br>
servo1.write(s1);//Posição em graus para o servo<br>
delay(50);//Espera 50 milissegundos<br>
}

Movimentando a base do braço para esquerda:

if (val1 &gt; 900)
{
s1 = s1 + 2;//Soma 2 a s1
if (s1 &gt;= 170)
{
s1 = 170
}
servo1.write(s1);
delay(50);
}

Controlando a extensão do braço:

val2 = analogRead(potpin2);
//Para trás
if (val2 &gt; 900)&nbsp;
{
  s2 = s2 - 2;
  if (s2 &lt;= 10)
  {
   s2 = 10;
  }
 servo2.write(s2);
 delay(50);
}
//Para frente
if (val2 &lt; 100)
{ 
  s2 = s2 + 2;
  if (s2 &gt;= 170)
 {
   s2 = 170;
 }
servo2.write(s2);
delay(50);
}

Controlando a altura do braço:

//Abaixar o braço
val3 = analogRead(potpin3);
if (val3 &lt; 100)
{
  s3 = s3 - 2; 
 if (s3 &lt;= 10)
 {
  s3 = 10;
 }
servo3.write(s3);
delay(50);
}
//Levantar o braço
if (val3 &gt; 900)
{
 s3 = s3 + 2;
 if (s3 &gt;= 170)
 {
  s3 = 170;
 }
servo3.write(s3);
delay(50);
}

Controlando a garra do braço:

val4 = analogRead(potpin4);
//Abrir a garra
if (val4 &lt; 100) {
  s4 = s4 - 2;
  if (s4 &lt;= 80)
  {
    s4 = 80;
  }
  servo4.write(s4);
  delay(50);
}
//Fechar a garra
if (val4 &gt; 900) {
  s4 = s4 + 2;
  if (s4 &gt;= 130)
  {
    s4 = 130;
  }
  servo4.write(s4);
  delay(50);&nbsp;
}

Hardware

Micro Servo 9g SG9

servo motor é um dispositivo que pode girar de 0 graus a 180 graus a partir de um comando de controle. O comando de controle é um pulso temporizado. A posição vai depender de quanto tempo o pulso fica em nível lógico alto (geralmente 5V) e quanto tempo fica em nível lógico baixo (geralmente 0V). Por padrão temos que enviar para o servo um pulso a cada 20ms. Internamente o servo possui um circuito capaz de traduzir o pulso de controle em um determinado grau de posicionamento.

É importante sempre alimentar o servo a partir de sua própria fonte de energia. Não o ligue a partir da fonte de 5V do Arduino, pois isso resultará em barulho e pode causar danos ao Arduino. Utilize uma fonte de 5V externa ou uma bateria e lembre-se de conectar o terra (GND) do Arduino ao terra da fonte externa.

Módulo Joystick

O Módulo Joystick tem seu princípio de funcionamento através do controle de dois potenciômetros e um botão, cada um
deles tem uma entrada para controlar o eixo X e uma para o eixo Y,
sendo que o botão (quando você preciona o Joystick) refere-se ao eixo Z. A pinagem do módulo é a seguinte:

  • +5V: 3,3-5V
  • GND: GND
  • VRx: Saída Analógica Eixo X
  • VRy: Saída Analógica Eixo Y
  • SW: Saída Digital Eixo Z

Conclusão

Este projeto tem um resultado final muito interessante, quando pegamos os joysticks e controlamos o braço sentimos uma sensação de recompensa imediata, todo o esforço desprendido no projeto se faz valer a pena.

E a montagem do projeto em si não é complexa, o código é um pouco longo mas também não é difícil de entender. A parte mais trabalhosa é a montagem do braço robótico em si.

No fim, este é um excelente projeto para atrair crianças para a área de eletrônica/programação, ao ver o braço se movendo, os pequenos terão bons momentos de diversão e curiosidade.

Referências

Culkin, J; Hagan, E. Aprenda Eletrônica com Arduino – Um Guia Ilustrado de Eletrônica para Iniciantes. 1a Edição. São Paulo: Novatec, 2019.

McRoberts, M. Arduino Básico. 2a Edição. São Paulo: Novatec, 2015.

https://www.arduino.cc/

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Sobre Cristiano Macedo 1 artigo
Possui mestrado em Ciência da Computação pela Universidade Federal de São Carlos (2015), graduação em Ciência da Computação pela Universidade Paulista (2009), diversos cursos de formação complementar na área de informática. Tem experiência na área de Ciência da Computação, com ênfase em Metodologia e Técnicas da Computação, na área de suporte, gestão de equipes de trabalho, treinamento e formação profissional.

2 Comentários

  1. Acho incrível a capacidade que o Arduino tem de se auto-reinventar, na verdade foi assim que a plataforma fez muito sucesso né?

    Muito bom o Artigo do Cristiano. Esse tipo de Braço Robótico que une a criatividade com conhecimentos de eletrônica, programação e robótica de fato merecem uma atenção.

    Pro pessoal do site do Portal do Arduino que também é fã da platafoma, escrevi um artigo bem bacana complementar a esse do Cristiano que é sobre um Projeto de um Braço Robótico com Arduino muito diferente de todos que vemos hoje em dia, caso queiram dar uma olhada: https://flaviobabos.com.br/braco-robotico-arduino/

    • Olá Flávio!

      O Arduino é realmente demais né? Ele ajudou muito a propagar a eletrônica para o público geral!
      E parabéns pelo projeto, ficou muito legal!
      Abraço!

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  1. Tanque Esteira Lagarta com Arduino e controlado por App

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