O Sistema de Monitoramento e Controle baseado na Web aplicado a um Sistema Soft Robotics usando myRIO e LabVIEW

"O projeto está sendo elaborado em parceria com a Universidade de Harvard e consiste na criação de laboratórios a serem operados remotamente, permitindo ao usuário o acesso ao sistema de controle PID para a realização de ensaios, medições, coleta de dados e observações de eventos em experiências de controle de robôs moles (Soft Robots)."

- Alexandre Brincalepe Campo, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia São Paulo (IFSP)

O desafio:

Nos últimos anos vem crescendo o interesse na aplicação de novos tipos de materiais para a construção de robôs, os robôs construídos de materiais moles constituem uma área de pesquisa emergente em robótica. Em termos de flexibilidade morfológica e de segurança de interação, os robôs moles possuem vantagens potenciais em relação aos rígidos tradicionais. Com graus praticamente ilimitados de liberdade em suas estruturas e, assim, maior flexibilidade, os robôs moles ( Soft Robots ) possuem promissores potenciais de aplicação. No entanto, é desafiador controlar robôs moles devido ao fato de que os materiais moles exibem dinâmicas altamente complexas e variáveis no tempo quando submetidas a forças externas. A deformação significativa de robôs moles em condições normais de trabalho viola a pequena tensão básica e o comportamento linear da mecânica de engenharia. Como tal, os métodos tradicionais de controle de robôs baseados na cinemática e na dinâmica de materiais rígidos geralmente são ineficazes para aplicar aos robôs moles. O projeto propõe a investigação do comportamento dos robôs moles utilizando os laboratórios remotos. Muitas instituições educacionais não podem pagar todo o equipamento caro e os custos de manutenção relacionados. Para resolver o problema, os laboratórios on-line permitem aos usuários acessar recursos de laboratório e realizar experiências através da Internet. À medida que a experimentação se torna on-line, os recursos laboratoriais podem ser compartilhados entre as instituições educacionais.

A solução:

Serão implementados dois experimentos desenvolvidos no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP) que estará disponível online através da plataforma Moodle para os estudantes da instituição.

Autor(es):

Alexandre Brincalepe Campo - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia São Paulo (IFSP)
Carina Yuri Yoshimura - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia São Paulo (IFSP)
Luciano Danninger - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia São Paulo (IFSP)

 

O primeiro sistema consiste num simples circuito eletrônico denominado “Divisor de Tensão”. Esta montagem é um piloto para o estudo e desenvolvimento da plataforma de baixo custo. Nela, foi desenvolvido um projeto em LabVIEW com dois instrumentos virtuais: um deles é executado no computador e tem a função de registrar o valor de entrada atribuído pelo usuário em uma variável global de projeto. Um segundo instrumento virtual é executado na placa myRIO e tem a função de transmitir o valor desta variável para o circuito divisor de tensão através de sua saída. O primeiro instrumento é disponibilizado para páginas web através da ferramenta “Web Publishing Tool” do software LabVIEW. Este procedimento possibilita que o painel frontal seja disponibilizado e controlado através de uma página html para o usuário que tiver o endereço. Em seguida, o arquivo html da página será transmitido para uma Raspberry Pi, sendo disponibilizado on-line através do servidor web Apache.

 

O segundo experimento refere-se ao controle de um robô mole (Soft Robot). Nos últimos anos vem crescendo o interesse na aplicação de novos tipos de materiais para a construção de robôs e este laboratório permite que o usuário possa controlar a posição de um atuador mole conhecido como Pneunet. O projeto está sendo elaborado em parceria com a Universidade de Harvard e consiste em um sistema de controle PID realizado na plataforma de desenvolvimento LabVIEW.

 

O sistema permite o controle da posição do atuador através de um programa de reconhecimento de imagem, programado em Python numa Raspberry Pi 3 utilizando o reconhecimento RGB para identificar a posição das cores vermelho, azul e verde em uma imagem fornecida por uma câmera. De posse deste valor de posição, o programa de controle compara a posição atual com a posição desejada, que é atribuída pelo usuário através de um knob disponibilizado na interface de usuário do LabVIEW, sendo que a diferença é enviada ao módulo PID. Este módulo controla uma saída PWM de um Arduino MEGA, que alimenta um circuito de potência com um transistor como chave, utilizado para energizar uma bomba de ar conectada ao atuador mole. Deste modo, quando o valor de posição medido é inferior ao valor de posição desejado, a bomba é acionada até que o ar pressurizado faça o atuador subir até a posição de referência. Caso seja inferior, a atuação na bomba é reduzida, diminuindo a pressão aplicada até o atuador se reposicionar na posição desejada.

 

Neste trabalho, utilizou-se o software LabVIEW por causa da facilidade de aplicação de uma linguagem de programação visual, visto que o fluxo de dados torna a parte de programação e seu entendimento intuitivos. Além disso, as ferramentas de debugging permitiram melhor performance na identificação de erros e problemas de performance do sistema. Um segundo objetivo para aplicar essa linguagem de programação foi o objetivo de aumentar a acessibilidade do sistema, visto que o LabVIEW disponibiliza ferramentas para comunicação com diversos dispositivos de outras empresas, como Arduino e Raspberry Pi.

 

Outro fator foi sua variedade de ferramentas de controle, principalmente PID e a ferramenta Web Publishing Tool que permite disponibilizar o painel frontal programado para um usuário final.

 

Outra ferramenta da NI utilizada neste projeto foi a placa myRIO, que permite uma maior compatibilidade do sistema embarcado com o programa LabVIEW, bem como maior simplicidade de programação, pois apenas uma linguagem de programação precisa ser utilizada.

 

 

A malha de controle do robô mole está funcionando e a página já pode ser disponibilizada através de um arquivo HTML capaz de controlar o circuito divisor de tensão, pronto para ser disponibilizado através do servidor Apache na placa Raspberry Pi. O nível do projeto é beta, já podemos disponibilizar online porém é necessário realizar testes de como os alunos (Público) irá lidar com o laboratório online. É possível afirmar que os objetivos traçados estão sendo atendidos e a conclusão do projeto seria um avanço para a disponibilização de conhecimentos para todos.

 

O tempo de desenvolvimento deste projeto está em dois anos, utilizados para desenvolver os atuadores moles, a malha de controle, o sistema de processamento de imagem e o sistema de geração de páginas HTML. O projeto irá durar por mais um ano, no qual será disponibilizada para os alunos do Instituto Federal de São Paulo uma página online na plataforma institucional Moodle para realizar o controle do atuador mole.

 

Informações sobre o autor:

Alexandre Brincalepe Campo
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia São Paulo (IFSP)
Brazil
brinca@ifsp.edu.br

Figura 1. Programa processamento imagem em Python
Figura 2. Programa LabVIEW com processamento de Imagem
Figura 3. Painel frontal do sistema
Figura 4. Sistema final
Figura 5. Programa divisor de tensão
Figura 6. Painel frontal disponibilizado
Figura 7. Programa myRIO
Figura 8. Controle remoto divisor de tensão