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import functools
import glob
import re
import sys
import serial
import yaml
from typing import Callable
from abc import ABCMeta, abstractmethod, abstractproperty
import numpy as np
import math
from time import sleep
class Servo(object):
def __init__(self, nome: str, porta: int,
angulo_minimo: float = -45.0, angulo_maximo: float = 45.0,
descricao: str = None, velocidade: float = 45.0, callback: Callable = None,
correcao: tuple = (1, 0)):
"""
Instancia o objeto do tipo servo
:param nome: Nome do servo
:param porta: Porta na qual o servo está conectado (0 <= porta < 32)
:param angulo_minimo: Ângulo mínimo de movimento do servo
:param angulo_maximo: Ângulo máximo de movimento do servo
:param callback: Função que será disparada quando o ângulo do servo for alterado
"""
self.nome = nome
self._porta = porta
self.descricao = descricao
# Função chamada quando o ângulo do servo for alterado
self._callback = callback
# Variável que diz se o servo foi movido
self.alterado = True
# Variáveis que guardam a correção dos ângulos do servo
self.variaveis_correcao = correcao
self.angulo_maximo = angulo_maximo
self.angulo_minimo = angulo_minimo
# Inicia a velocidade para o servo se for especificada
self.velocidade_angular = velocidade
# Inicializa o ângulo inicial como 0
self.angulo = self.angulo_minimo
def __repr__(self):
return '<Servo {0}{5}: vel={1}°/s pos={2:.2f}° {3:.2f}°..{4:.2f}°>'.format(
self.nome, self.velocidade_angular,
self.angulo, self.angulo_minimo, self.angulo_maximo,
' (%s)' % self.descricao if self.descricao else ''
)
@property
def variaveis_correcao(self):
return (self._a, self._b)
@variaveis_correcao.setter
def variaveis_correcao(self, valor: tuple):
assert len(valor) == 2, 'Atributo inválido'
self._a = valor[0]
self._b = valor[1]
def _correcao_direta(self, valor):
return valor * self._a + self._b
def _correcao_reversa(self, valor):
return (valor - self._b) / self._a
@property
def posicao(self) -> int:
"""
:return: Posição absoluta do servo
"""
return self._pos
@posicao.setter
def posicao(self, pos: int):
"""
Permite a alteração da posição absoluta do servo
:param pos: Posição absoluta do servo
"""
assert (self.posicao_minima <= pos <= self.posicao_maxima), \
'Posicionamento inválido'
self._pos = pos
self.alterado = True
if self._callback:
self._callback(self)
@property
def angulo(self) -> float:
"""
:return: Ângulo em graus do servo
"""
return self._correcao_reversa(self.posicao_para_angulo(self._pos))
@angulo.setter
def angulo(self, angulo: float):
"""
Modifica a posição (em graus) do servo
:param angulo: Ângulo em graus do servo (angulo_minimo <= angulo <= angulo_maximo)
"""
self.posicao = self.angulo_para_posicao(self._correcao_direta(angulo))
@property
def angulo_minimo(self) -> float:
"""
:return: Ângulo mínimo permitido para o servo
"""
return self._correcao_reversa(self.posicao_para_angulo(self._pos_min))
@property
def angulo_maximo(self) -> float:
"""
:return: Ângulo máximo permitido para o servo
"""
return self._correcao_reversa(self.posicao_para_angulo(self._pos_max))
@angulo_maximo.setter
def angulo_maximo(self, angulo: float):
"""
Permite alterar o ângulo máximo de movimento do servo
:param angulo: Ângulo máximo (em graus) para movimentação do servo
:return:
"""
# assert (-45.0 <= angulo <= 45.0), \
# 'O ângulo máximo não pode ser inferior a -45 ou superior a 45'
self._pos_max = self.angulo_para_posicao(self._correcao_direta(angulo))
@angulo_minimo.setter
def angulo_minimo(self, angulo: float):
"""
Permite alterar o ângulo mínimo de movimento do servo
:param angulo: float
:return:
"""
# assert (-45.0 <= angulo <= 45.0), \
# 'O ângulo mínimo não pode ser inferior a -45 ou superior a 45'
self._pos_min = self.angulo_para_posicao(self._correcao_direta(angulo))
@property
def posicao_maxima(self) -> int:
"""
Retorna a posição máxima permitida para o servo
:return: int
"""
return max(self._pos_min, self._pos_max)
@property
def velocidade(self) -> int:
return self._velocidade
@velocidade.setter
def velocidade(self, velocidade):
assert not velocidade or 100 <= velocidade <= 500, \
"Velocidade deve estar entre 100 e 500"
self._velocidade = velocidade
@property
def velocidade_angular(self) -> float:
return (0.09 * self._velocidade) if self._velocidade else None
@velocidade_angular.setter
def velocidade_angular(self, velocidade: float):
self.velocidade = int(100 * velocidade / 9) if velocidade else None
@property
def posicao_minima(self) -> int:
"""
Retorna a posição mínima permitida para o servo
:return: int
"""
return min(self._pos_min, self._pos_max)
@posicao_minima.setter
def posicao_minima(self, posicao: int):
"""
Permite a alteração da posição mínima permitida para o servo
:param posicao: int
:return:
"""
self._pos_min = posicao
@posicao_maxima.setter
def posicao_maxima(self, posicao: int):
"""
Permite a alteração da posição máxima permitida para o servo
:param posicao: int
:return:
"""
self._pos_max = posicao
@staticmethod
def angulo_para_posicao(angulo: float) -> int:
"""
Permite converter um ângulo em graus para o posicionamento do padrão
posicão = (100 / 9.0) * (angulo + 45) + 500
500 <= posicão <= 2500
:param angulo:
:return:
"""
assert not (180.0 < angulo + 90 < 0.0), "Angulo inválido"
# Garante que o ângulo está entre 0 e 360
# angulo = angulo - (angulo // 360) * 360
posicao = (100 / 9.0) * (angulo + 90) + 500
return int(posicao)
@staticmethod
def posicao_para_angulo(posicao: int):
"""
Permite converter o posicionamento do padrão em um ângulo em graus
ângulo = (posição - 500) * 0.045 + 45
ângulo < 0 -> rotação para esquerda
ângulo > 0 -> rotação para esquerda
:param posicao: int
:return:
"""
assert (2500 >= posicao >= 500), "Posição inválida"
angulo = (posicao - 500) * 0.09 - 90
return angulo
@property
def __comando(self, **kwargs) -> str:
comando = self.comando
self.alterado = False
return comando
@property
def comando(self) -> str:
"""
Retorna o comando para realização do último posicionamento
Se a última ação já tiver sido realizada não retorna comando
:param kwargs:
:return: str
"""
if self.alterado:
return '#{0}P{1}{2}'.format(self.porta, self._pos,
('S%s' % self._velocidade) if self._velocidade else '')
else:
return ''
@comando.setter
def comando(self, comando: str):
"""
Permite modificar a comando para o servo
:param comando: str
:return:
"""
parametros = re.match(r'#(?P<porta>\d+)P(?P<posicao>\d+)S*(?P<velocidade>\d+)*$',
comando).groupdict(None)
assert parametros, \
'Comando inválido'
assert int(parametros['porta']) == self.porta, \
'Porta inválida para o servo especificado'
self.posicao = int(parametros['posicao'])
self.velocidade = int(parametros['velocidade']) if parametros['velocidade'] else None
@property
def porta(self):
return self._porta
@porta.setter
def porta(self, porta):
assert 0 <= porta <= 31, \
'Porta inválida'
self._porta = porta
@property
def __dict__(self) -> dict:
definicao = {
'porta': self.porta,
'angulo': self.angulo,
'angulo_minimo': self.angulo_minimo,
'angulo_maximo': self.angulo_maximo,
}
if self.velocidade_angular:
definicao.update({
'velocidade_angular': self.velocidade_angular
})
if self.descricao:
definicao.update({'descricao': self.descricao})
return definicao
class SSC32(object):
def __init__(self, porta: str=None, taxa_transferencia=115200, autocommit: bool=False):
"""
Instancia a classe
:param porta: Porta de conexão serial
:param taxa_transferencia: Taxa de transferência da comunicação serial
:param autocommit: Especifica se o movimento ocorrerá de forma automática
"""
self.autocommit = autocommit
self._conectado = False
if not getattr(self, '_servos', None):
self._servos = list()
for i in range(0, 32):
self._servos.append(
Servo('%d' % (i+1), i, callback=self._commit)
)
self._servos = tuple(self._servos)
else:
for servo in self._servos:
servo._callback = self._commit
if porta:
self.conectar(porta, taxa_transferencia)
def __getitem__(self, chave):
"""
Retorna um servo com o índice ou nome passado no argumento
:param chave: Índice da porta ou nome do servo
:return:
"""
for servo in self._servos:
if type(chave) == str and servo.nome.upper() == chave.upper():
return servo
elif servo.porta == chave:
return servo
raise KeyError(chave)
def __len__(self):
"""
:return: Tamanho da lista de servos
"""
return len(self._servos)
def conectar(self, porta: str, taxa_transferencia: int=115200):
"""
Permite a conexão serial
:param porta: Porta de conexão serial
:param taxa_transferencia: Taxa de transferência da conexão serial
:return:
"""
self._serial = serial.Serial(porta, taxa_transferencia, exclusive=True)
self._conectado = True
@property
def conectado(self):
"""
:return: Estado de conexão
"""
return self._conectado
@property
def conexao_serial(self):
"""
:return: Objeto de conexão
"""
return self._serial if self._conectado else None
@property
def servos(self) -> tuple:
"""
:return: Lista de servos do braço
"""
return self._servos
def movimentar(self, definicao: list):
"""
Permite a movimentação
:param definicao: Lista de comandos de movimentos ->
(
(indice do servo, {'velocidade_angular':..., 'angulo':...}),
...
)
"""
autocommit = self.autocommit
self.autocommit = False
for (indice, movimento) in definicao:
for (atributo, valor) in movimento.items():
setattr(self.servos[indice], atributo, valor)
if autocommit:
self.commit()
self.autocommit = autocommit
@property
def comando(self) -> str:
"""
:return: Comando para movimentar os servos
"""
return functools.reduce(lambda x, y: x + y.comando, self.servos, '')
@comando.setter
def comando(self, comando: str):
"""
Permite executar de forma segura um comando personalizado na garra
:param comando: Comando personalizado
:return:
"""
correspondencias = [
c for c in re.finditer(r'#(?P<porta>\d+)P(?P<posicao>\d+)S(?P<velocidade>\d+)*',
comando)
]
for comando in correspondencias:
(porta, comando) = int(comando.groupdict()['porta']), \
comando.group()
self[porta].comando = comando
def _commit(self, *args, commit=False):
"""
Permite enviar o comando serial para o SSC32
:param args: Servo que disparou o comando
:param commit: Indica se o comando deve ser executado mesmo que o autocommit esteja falso
"""
if self._conectado and (self.autocommit or commit):
# print('{0}\r'.format(self.__comando).encode())
self._serial.write((self.__comando + '\r').encode())
def commit(self):
"""
Envia o comando para porta serial
"""
self._commit(commit=True)
@property
def __comando(self) -> str:
"""
Modifica a flag dos servos
:return: Comando para movimentar os servos
"""
return functools.reduce(lambda x, y: x + y._Servo__comando, self.servos, '')
@classmethod
def portas_disponiveis(cls) -> list:
"""
Lista as portas seriais disponíveis no sistema
:raises EnvironmentError: Quando a plataforma não for suportada
:return: Lista de portas disponíveis
"""
if sys.platform.startswith('win'):
portas = ['COM%s' % (i + 1) for i in range(256)]
elif sys.platform.startswith('linux') or sys.platform.startswith('cygwin'):
portas = glob.glob('/dev/tty[A-Za-z]*')
elif sys.platform.startswith('darwin'):
portas = glob.glob('/dev/tty.*')
else:
raise EnvironmentError('Plataforma não suportada')
resultado = []
for porta in portas:
try:
s = serial.Serial(porta)
s.close()
resultado.append(porta)
except (OSError, serial.SerialException):
pass
return resultado
def importar_configuracao(self, arquivo: str):
configuracoes = yaml.load(open(arquivo))
servos = list()
for (nome, definicao) in configuracoes['servos'].items():
servo = Servo(nome, porta=definicao['porta'])
for chave, valor in definicao.items():
setattr(servo, chave, valor)
servos.append(servo)
self._servos = tuple(servos)
def exportar_configuracao(self, arquivo):
definicoes = dict()
for servo in self._servos:
definicoes[servo.nome] = servo.__dict__
yaml.safe_dump({'servos': definicoes}, open(arquivo, 'w'), default_flow_style=False)
class CinematicaMixin(object):
@property
def posicao(self) -> tuple:
return self.cinematica_direta()
@posicao.setter
def posicao(self, pos):
self.cinematica_inversa(pos)
@property
def velocidade(self) -> tuple:
return tuple(np.dot(self.jacobiano(), self.velocidade_de_juntas))
@velocidade.setter
def velocidade(self, velocidade: tuple):
self.velocidade_de_juntas = tuple(np.dot(np.linalg.inv(self.jacobiano()), self.velocidade))
@property
@abstractmethod
def velocidade_de_juntas(self) -> tuple: pass
@velocidade_de_juntas.setter
@abstractmethod
def velocidade_de_juntas(self, velocidade: tuple): pass
# @posicao.setter
# def posicao(self, pos: tuple = None):
# if pos:
# assert (len(pos) == len(self.posicao)), \
# 'O posicionamento do braço tem de ser definido por {0} variávies'.format(len(self.posicao))
#
# self.x = pos[0]
# self.y = pos[1]
# self.z = pos[2]
# self.phi = pos[3]
# @property
# def cinematica_direta(self):
# return getattr(self, '_cinematica_direta', None)
#
# @property
# def cinematica_inversa(self):
# return getattr(self, '_cinematica_inversa', None)
#
# @cinematica_direta.setter
# def cinematica_direta(self, definicao: Callable):
# # self._cinematica_direta = lambda theta_0, theta_1, theta_2, theta_3, theta_4: \
# # theta_0 + theta_1
# raise NotImplementedError('É necessário implementar o método')
#
# @cinematica_inversa.setter
# def cinematica_inversa(self, definicao: Callable):
# raise NotImplementedError('É necessário implementar o método')
#
# @property
# def jacobiano(self):
# return getattr(self, '_jacobiano', None)
#
# @jacobiano.setter
# def jacobiano(self, definicao: Callable):
# raise NotImplementedError('É necessário implementar o método')
@abstractmethod
def cinematica_direta(self) -> tuple: pass
@abstractmethod
def cinematica_inversa(self, pos: tuple): pass
@abstractmethod
def jacobiano(self) -> np.ndarray: pass
class Braco(SSC32, CinematicaMixin):
def __init__(self, *args, autocommit=False, **kwargs):
self._servos = (
Servo('HS-485HB', 0, angulo_minimo=-94.0, angulo_maximo=86.0,
descricao='Servo da base', correcao=(-1, -4)),
Servo('HS-805BB', 1, angulo_minimo=10.0, angulo_maximo=140.0,
descricao='Servo do ombro', correcao=(1, -90)),
Servo('HS-755HB', 2, angulo_minimo=-124.0, angulo_maximo=-34.0,
descricao='Servo da cotovelo', correcao=(-1, -82)),
Servo('HS-645MG', 3, angulo_minimo=-90.0, angulo_maximo=90.0,
descricao='Servo do punho'),
Servo('HS-322HD', 4, angulo_minimo=-18.0, angulo_maximo=81.0,
descricao='Servo da garra'),
)
# self._l5 = 5.6
self._l5 = 8.5
self._l4 = 18.6
self._l3 = 14.7
self._l2 = 2.0
self._l1 = 4.2
super(Braco, self).__init__(*args, **kwargs)
self.autocommit = autocommit
self.posicao_angular = (0, 90, -90, 0, 0)
# @posicao.
# def posicao(self, pos: tuple = None):
# pass
def commit(self, *args, **kwargs):
print(self.posicao_angular)
super(Braco, self).commit(*args, **kwargs)
@property
def posicao_angular(self):
return (
self.servos[0].angulo, self.servos[1].angulo,
self.servos[2].angulo, self.servos[3].angulo,
self.servos[4].angulo
)
@posicao_angular.setter
def posicao_angular(self, posicao):
autocommit = self.autocommit
self.autocommit = False
self.servos[0].angulo = posicao[0]
self.servos[1].angulo = posicao[1]
self.servos[2].angulo = posicao[2]
self.servos[3].angulo = posicao[3]
self.servos[4].angulo = posicao[4]
if autocommit:
self.commit()
self.autocommit = autocommit
def movimentar(self, posicoes: tuple, velocidade: tuple=None):
"""
Permite a movimentação
:param posicao: Posição do servo
"""
autocommit = self.autocommit
self.autocommit = False
for posicao in posicoes:
self.posicao = posicao
if autocommit:
self.commit()
sleep(3)
self.autocommit = autocommit
# self.posicao = posicao
# if autocommit:
# self.commit()
# self.autocommit = autocommit
@property
def x(self) -> float:
"""
:return: Posição x do servo
"""
return self.posicao[0]
@x.setter
def x(self, pos_x):
self.posicao = (pos_x, self.y, self.z, self.phi, self.theta)
@property
def y(self) -> float:
"""
:return: Posição y do servo
"""
return self.posicao[1]
@y.setter
def y(self, pos_y):
self.posicao = (self.x, pos_y, self.z, self.phi, self.theta)
@property
def z(self) -> float:
"""
:return: Posição z do servo
"""
return self.posicao[2]
@z.setter
def z(self, pos_z):
self.posicao = (self.x, self.y, pos_z, self.phi, self.theta)
@property
def phi(self) -> float:
"""
:return: Orientação phi da garra do servo
"""
return self.posicao[1] + self.posicao[2] + self.posicao[3]
@phi.setter
def phi(self, pos_phi):
self.posicao = (self.x, self.y, self.z, pos_phi, self.theta)
@property
def theta(self) -> float:
"""
:return: Orientação phi da garra do servo
"""
return self.posicao[4]
@theta.setter
def theta(self, pos_theta):
self.posicao = (self.x, self.y, self.z, self.phi, pos_theta)
@property
def velocidade_de_juntas(self):
return tuple([0, 0, 0, 0])
@velocidade_de_juntas.setter
def velocidade_de_juntas(self, velocidade: tuple):
pass
def cinematica_direta(self) -> tuple:
angulos = [math.radians(servo.angulo) for servo in self.servos]
return (
math.cos(angulos[0]) * (
math.cos(angulos[1] + angulos[2] + angulos[3]) * self._l5 +
math.cos(angulos[1] + angulos[2]) * self._l4 +
math.cos(angulos[1]) * self._l3
),
math.sin(angulos[0]) * (
math.cos(angulos[1] + angulos[2] + angulos[3]) * self._l5 +
math.cos(angulos[1] + angulos[2]) * self._l4 +
math.cos(angulos[1]) * self._l3
),
math.sin(angulos[1] + angulos[2] + angulos[3]) * self._l5 +
math.sin(angulos[1] + angulos[2]) * self._l4 +
math.sin(angulos[1]) * self._l3 +
self._l2 + self._l1,
math.degrees(angulos[1] + angulos[2] + angulos[3]),
math.degrees(angulos[4]),
)
def _posicionamento_valido(self, pos: tuple):
t1, t2, t3, t4, t5 = pos
return \
(self.servos[0].angulo_minimo <= t1 <= self.servos[0].angulo_maximo) and \
(self.servos[1].angulo_minimo <= t2 <= self.servos[1].angulo_maximo) and \
(self.servos[2].angulo_minimo <= t3 <= self.servos[2].angulo_maximo) and \
(self.servos[3].angulo_minimo <= t4 <= self.servos[3].angulo_maximo) and \
(self.servos[4].angulo_minimo <= t5 <= self.servos[4].angulo_maximo)
def _distancia_de_movimento(self, pos: tuple) -> float:
return np.linalg.norm(np.array(pos)[:-1] - np.array([x.angulo for x in self.servos[:-1]]))
def cinematica_inversa(self, pos: tuple):
assert (len(pos) == len(self.posicao)), 'O vetor posição deve ter {0} valores'.format(len(pos))
# Define uma precisão tolerável os erros de arredondamento
erro = 0.001
x, y, z, phi, theta = pos
# Definição de variáveis auxiliares
s, t = \
np.linalg.norm((x, y)) - math.cos(math.radians(phi)) * self._l5, \
z - math.sin(math.radians(phi)) * self._l5 - self._l1 - self._l2
u = (s**2 + t**2 - self._l4**2 + self._l3**2) / (2 * self._l3)
sen_1 = (y / math.sqrt(x**2 + y**2), )
cos_1 = (x / math.sqrt(x**2 + y**2), )
cos_3 = ((s ** 2 + t ** 2 - self._l4 ** 2 - self._l3 ** 2) / (2 * self._l3 * self._l4), )
sen_2 = ((2 * t * u + math.sqrt(max((2 * t * u)**2 - 4*(t**2 + s**2)*(u**2 - s**2), 0))) / (2 * (t**2 + s**2)), (2 * t * u - math.sqrt(max((2 * t * u)**2 - 4*(t**2 + s**2)*(u**2 - s**2), 0))) / (2 * (t**2 + s**2)))
# Executa testes de arredondamento
for valor in sen_1 + cos_1 + cos_3 + sen_2:
if abs(valor) - erro > 1:
raise ValueError('Posicionamento inválido')
cos_3 = [(-1 if c < 0 else 1) * min(abs(c), 1) for c in cos_3]
sen_2 = [(-1 if s < 0 else 1) * min(abs(s), 1) for s in sen_2]
sen_3 = (math.sqrt(1 - cos_3[0] ** 2), -math.sqrt(1 - cos_3[0] ** 2))
cos_2 = (math.sqrt(1 - sen_2[0] ** 2), math.sqrt(1 - sen_2[1] ** 2))
theta_1 = np.arctan2(sen_1, cos_1)
theta_2 = np.arctan2(sen_2, cos_2)
theta_3 = np.arctan2(sen_3, cos_3)
solucoes = [[math.degrees(t1), math.degrees(t2), math.degrees(t3), phi - math.degrees(t2) - math.degrees(t3), theta]
for t3 in theta_3 for t2 in theta_2 for t1 in theta_1]
# print(solucoes)
# Obtém quais são as configurações possíveis
solucoes_possiveis = list(filter(lambda pos: self._posicionamento_valido(pos), solucoes))
# print(solucoes_possiveis)
if not solucoes_possiveis:
raise ValueError('Posicionamento inválido')
# Obtém qual a melhor movimentação
melhor_solucao = solucoes_possiveis[np.argmin([self._distancia_de_movimento(x) for x in solucoes_possiveis])]
self.posicao_angular = melhor_solucao
# print(melhor_solucao)
# self.servos[0].angulo = melhor_solucao[0]
# self.servos[1].angulo = melhor_solucao[1]
# self.servos[2].angulo = melhor_solucao[2]
# self.servos[3].angulo = melhor_solucao[3]
# self.servos[4].angulo = melhor_solucao[4]
# hegrid
# r, s, t = \
# x / math.cos(math.radians(self.servos[0].angulo)) - math.cos(math.radians(phi)) * self._l3, \
# y / math.sin(math.radians(self.servos[0].angulo)) - math.cos(math.radians(phi)) * self._l3, \
# z - math.sin(math.radians(phi)) * self._l5 - self._l1 - self._l2
#
# u = (r**2 + t**2 - self._l4**2 + self._l3**2) / (2 * self._l3)
#
# print(math.degrees(
# math.atan2(
# (r**2 + t**2 - self._l4**2 - self._l3**2) / (2 * self._l3 * self._l4),
# math.sqrt(1 - ((r**2 + t**2 - self._l4**2 - self._l3**2) / (2 * self._l3 * self._l4))**2)
# )
# ))
#
# self.servos[2].angulo = math.degrees(
# math.atan2(
# (r**2 + t**2 - self._l4**2 - self._l3**2) / (2 * self._l3 * self._l4),
# math.sqrt(1 - ((r**2 + t**2 - self._l4**2 - self._l3**2) / (2 * self._l3 * self._l4))**2)
# )
# )
#
# sen_2 = (2 * t * u + math.sqrt(4 * t**2 * u**2 - 4 * (t**2 + r**2) * (u**2 - r**2)) ) /\
# (2 * (t**2 + r**2))
#
# print(math.degrees(
# math.atan2(sen_2, math.sqrt(1 - sen_2))
# ))
#
# self.servos[1].angulo = math.degrees(
# math.atan2(sen_2, math.sqrt(1 - sen_2))
# )
#
# self.servos[3].angulo = phi - self.servos[1].angulo - self.servos[2].angulo
def jacobiano(self):
pass
# class Hermes(object):
# def __init__(self, porta, taxa=115200, quantidade=32):
# ssc = ssc32.SSC32(porta, taxa, quantidade)