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COBENGE 2016 XLIV CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCAÇÃO EM ENGENHARIA 27 a 30 de setembro de 2016 UFRN / ABENGE INICIAÇÃO CIENTÍFICA NOS CURSOS DE ENGENHARIA MECATRÔNICA – ESTUDO DE CASO: DESENVOLVIMENTO DE UMA IHM PARA MANIPULADORES DE SOLDAGEM Arthur Raulino Kretzer [email protected] Gabriel Vega da Motta [email protected] Isac de Souza Campos [email protected] Isis Machado Silva [email protected] Nelso Gauze Bonacorso [email protected] Rafael Pereira Pires [email protected] Rodolfo Cavour Moretti Schiavi [email protected] Volnei Resena Junior [email protected] Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina - IFSC, DAMM Av. Mauro Ramos, 950, Bairro Centro 88.020-300 – Florianópolis – SC Resumo: Este artigo descreve a relevância, a metodologia e os resultados obtidos do trabalho de iniciação científica desenvolvido pelo grupo de alunos do Programa de Educação Tutorial (PET) do curso de Engenharia Mecatrônica do Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC). O projeto e a construção de uma interface homem-máquina (IHM) para um manipulador de soldagem foi o tema selecionado. Com o rápido desenvolvimento da mecatrônica no setor da soldagem, observa-se um descompasso entre as inovações tecnológicas e as atividades manuais do soldador, sendo este limitado por fatores biológicos. A solução mais racional é integrar esse profissional como operador de robôs e manipuladores de soldagem. Entretanto, as IHM´s comerciais são pouco intuitivas e não são ergonomicamente corretas principalmente quando o operador utiliza luvas de couro nas operações de correção de trajetória durante as soldagens. Diante desse obstáculo, foi assumido o desafio de desenvolver uma IHM aplicando estudos de ergonomia orientados por um sistema previamente estudado e direcionado a engenharia de usabilidade. Essa metodologia foi aplicada de acordo com suas quatro etapas sequenciais: análise do contexto de operação, especificações das exigências, produção de soluções e avaliações do produto em relação às exigências. A solução vencedora de IHM com dimensões 300x140x60 mm foi construída de forma modular para facilitar sua fabricação, montagem dos componentes e eventuais manutenções. O teclado do protótipo da IHM é reconhecido pelo tato do operador e suas teclas podem ser acionadas simultaneamente pelos dedos polegar e indicador de ambas as mãos, reduzindo o tempo de execução dos procedimentos de soldagem. Palavras-chave: Projeto ergonômico, Interface homem-máquina, Soldagem automática.

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INICIAÇÃO CIENTÍFICA NOS CURSOS DE ENGENHARIA MECATRÔNICA – ESTUDO DE CASO: DESENVOLVIMENTO DE

UMA IHM PARA MANIPULADORES DE SOLDAGEM Arthur Raulino Kretzer – [email protected] Gabriel Vega da Motta – [email protected] Isac de Souza Campos – [email protected] Isis Machado Silva – [email protected] Nelso Gauze Bonacorso – [email protected] Rafael Pereira Pires – [email protected] Rodolfo Cavour Moretti Schiavi – [email protected] Volnei Resena Junior – [email protected] Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina - IFSC, DAMM Av. Mauro Ramos, 950, Bairro Centro 88.020-300 – Florianópolis – SC Resumo: Este artigo descreve a relevância, a metodologia e os resultados obtidos do trabalho de iniciação científica desenvolvido pelo grupo de alunos do Programa de Educação Tutorial (PET) do curso de Engenharia Mecatrônica do Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC). O projeto e a construção de uma interface homem-máquina (IHM) para um manipulador de soldagem foi o tema selecionado. Com o rápido desenvolvimento da mecatrônica no setor da soldagem, observa-se um descompasso entre as inovações tecnológicas e as atividades manuais do soldador, sendo este limitado por fatores biológicos. A solução mais racional é integrar esse profissional como operador de robôs e manipuladores de soldagem. Entretanto, as IHM´s comerciais são pouco intuitivas e não são ergonomicamente corretas principalmente quando o operador utiliza luvas de couro nas operações de correção de trajetória durante as soldagens. Diante desse obstáculo, foi assumido o desafio de desenvolver uma IHM aplicando estudos de ergonomia orientados por um sistema previamente estudado e direcionado a engenharia de usabilidade. Essa metodologia foi aplicada de acordo com suas quatro etapas sequenciais: análise do contexto de operação, especificações das exigências, produção de soluções e avaliações do produto em relação às exigências. A solução vencedora de IHM com dimensões 300x140x60 mm foi construída de forma modular para facilitar sua fabricação, montagem dos componentes e eventuais manutenções. O teclado do protótipo da IHM é reconhecido pelo tato do operador e suas teclas podem ser acionadas simultaneamente pelos dedos polegar e indicador de ambas as mãos, reduzindo o tempo de execução dos procedimentos de soldagem. Palavras-chave: Projeto ergonômico, Interface homem-máquina, Soldagem automática.

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1. INTRODUÇÃO Os alunos de graduação em engenharia tem como meta ingressar no mercado de trabalho de forma competitiva com os conhecimentos e habilidades adquiridas durante sua formação no ensino superior. Porém, na maioria dos cursos de engenharia, teoria e prática não são ensinadas de forma complementar, ficando deficiente o desenvolvimento das habilidades práticas. Trabalhos de iniciação científica desenvolvidos por Grupos de Pesquisa, por Programas de Educação Tutorial e por Empresas Juniores são possibilidades disponíveis aos alunos para o preenchimento desta lacuna da parte prática nas Instituições de Ensino Superiores (IES) do Brasil. Neste contexto, o presente artigo descreve na sequência o trabalho de iniciação científica de Desenvolvimento de uma IHM para Manipuladores de Soldagem, realizado pelo grupo PET Mecatrônica do Instituto Federal de Santa Catarina. Com a automatização dos processos de fabricação altera-se o modo com que o operador atua em função do aumento da velocidade de produção e da qualidade do produto final. Essa mudança é devido às necessidades do mercado consumidor que exige um produto cada vez mais inovador. Na soldagem de fabricação e de manutenção não é diferente. O processo de soldagem, quando aplicado de forma manual insere completamente o soldador em uma situação insalubre. Além disso, não se tem a produtividade almejada devido às condições de soldagem e as limitações físicas do corpo humano. Entretanto, o soldador tem a visibilidade da poça de fusão e total mobilidade da tocha de solda para assim corrigir instantaneamente a trajetória de soldagem. No procedimento de soldagem automática, o soldador passa a operar robôs e manipuladores via IHM para movimentar estes equipamentos para marcar pontos, programar e corrigir trajetórias durante a soldagem. Porém, as IHM´s destes equipamentos são pouco intuitivas e não são ergonomicamente corretas, sem contar que o trabalho do operador é ainda dificultado pelos equipamentos de segurança como as luvas e a máscara de solda. As IHM´s dos robôs de soldagem, apesar de serem multifuncionais e compactas, possuem muitas teclas e não são intuitivas e nem adequadas para o manuseio com luvas de couro. Um exemplo típico é a IHM (FANUC ROBOTICS, 2015), Figura 1.

Figura 1 – IHM típica de robôs de soldagem.

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Outra situação comumente encontrada nos equipamentos de movimentação da tocha de solda (SPS, 2015) é a existência de duas IHM´s, Figura 2. Uma IHM, a (C), é usada somente para programação com o display de acionamento por toque e a outra IHM, a (D), mais robusta para realizar somente as correções da tocha durante a soldagem. Além de ser uma solução mais onerosa, a IHM de correção não é totalmente intuitiva.

Figura 2 – Manipulador de solda com duas IHM's.

Diante dos problemas supracitados das IHM comerciais destinadas a soldagem, o

grupo PET Mecatrônica assumiu o desafio de desenvolver uma IHM ergonômica, intuitiva e apropriada para o ambiente agressivo de soldagem. Sua capacidade de comando é de até sete eixos nas operações de movimentação, programação do manipulador e correção de trajetórias com oscilação. Na sequência, essa IHM será integrada ao manipulador cartesiano de soldagem de cinco graus de liberdade, Figura 3, desenvolvido por (HUBERT, 2014) e (PIRES, 2014).

Figura 3 – Manipulador cartesiano de cadeia mista e seu gabinete eletroeletrônico.

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2. METODOLOGIA O desenvolvimento deste projeto foi planejado com base no estudo de ergonomia e usabilidade, direcionados intrinsecamente no usuário da IHM de soldagem. A engenharia de usabilidade tem como meta tornar o sistema interativo entre o operador e a máquina eficiente, seguro e agradável. Essa abordagem privilegia o desempenho do operador concebendo interfaces adequadas às suas características e seus objetivos. O trabalho de (OKUYAMA, 2012), que desenvolveu a IHM de programação do manipulador de soldagem da Figura 2, e a norma técnica (ABNT NBR ISO 9241, 2011), que aborda a ergonomia da interação humano-sistema, Figura 4, também foram seguidas. Figura 4 – Interdependência entre as atividades de projeto centradas no ser humano.

A metodologia de desenvolvimento da IHM de soldagem foi aplicada de acordo com

suas quatro etapas sequenciais da Figura 4: analisar o contexto de uso na soldagem, especificar os requisitos do operador, produzir e avaliar soluções de acordo com os requisitos do operador.

Na análise do contexto foi levado em consideração: a IHM opera tanto para marcação de pontos e programação do manipulador quanto para a correção de suas trajetórias durante a soldagem; a IHM deve ser resistente a impactos e aos respingos de material fundido; durante a soldagem o usuário da IHM estará usando máscara de solda e luvas o que dificulta sua visão e diminui a sensibilidade dos dedos das mãos; a IHM deve comportar todas as funções executáveis pelo manipulador de soldagem.

Na sequência foram especificados os requisitos da IHM com base nas entrevistas realizadas com profissionais da área de soldagem. Os requisitos obtidos para a IHM foram: multifuncional e intuitiva para atender desde a etapa de marcação de pontos até a de correção da trajetória; intrinsecamente segura e robusta; ergonomicamente equacionada; tangível e de baixo custo.

A seguir, algumas soluções foram desenhadas, analisadas e comparadas do ponto de vista dos requisitos. As geometrias das duas soluções mais cotadas foram prototipadas e avaliadas por profissionais da área de soldagem. Por fim, a solução de IHM vencedora foi detalhada para fabricar o gabinete, especificar a eletrônica interna (controlador, display e teclas) e desenvolver a placa de interface e o programa do manipulador de soldagem.

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3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para facilitar a fabricação, montagem dos componentes e eventuais manutenções foi

usada no projeto do gabinete da IHM os perfis de canto e chapas de fibra de vidro e alumínio, Figura 5. A entrada do cabo de sinais elétricos do painel eletroeletrônico do manipulador e os dois canais USB´s para comunicação com equipamentos periféricos estão localizados na base da IHM.

Figura 5 – Projeto mecânico do gabinete da IHM.

A parte eletrônica da IHM, Figura 6, é formada por três placas eletrônicas conectadas

por um barramento de sinais único, a porta B de 8 bits. Figura 6 – Diagrama de blocos eletrônico da IHM.

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Os referidos sinais elétricos são providos pelo controlador LM4F120XL da placa de desenvolvimento, foto do lado esquerdo da Figura 7. Essa placa também realiza a comunicação via drivers de linha com o manipulador e a fonte de soldagem por meio do gabinete eletroeletrônico, foto do lado esquerdo da Figura 3.

A segunda placa é o display de cristal líquido (LCD) da IHM, foto do lado direito da Figura 7. O envio de informações ao usuário pelo display é realizado de forma paralela pela porta B, Figura 6. Para evitar danos ao LCD provenientes de respingos da soldagem, uma lâmina de acrílico de dois milímetros de espessura é fixada por parafusos na parte frontal da IHM, conforme mostra a Figura 5.

Figura 7 – Placa de desenvolvimento a esquerda (TEXAS INSTRUMENTS, 2012) e display a direita (KENTEC DISPLAY, 2013).

A terceira e última placa é formada pelos circuitos dos drivers de linha e do circuito do

teclado. Este último também é conectado de forma paralela a placa de desenvolvimento do controlador pela mesma porta B de comunicação com o LCD.

A escrita no LCD ou a leitura dos dois conjuntos de teclas é realizada de forma multiplexada no tempo e comandada pelos sinais digitais de seleção de periférico (CS/), de escrita (WR/), de leitura (RD/) e de seleção de conjunto de teclas (PE0), como mostra a Figura 6. O teclado da IHM é formado por dezesseis teclas divididas em dois conjuntos, direito e esquerdo, de oito teclas cada, Figura 6. Na IHM, Figura 8, cada um dos conjuntos possui apenas sete teclas, duas em cada lateral e cinco em cada lado do LCD.

Os três botões elétricos situados na parte frontal superior da IHM, Figura 8, correspondem da esquerda para direita as funções de habilitar ou desabilitar a soldagem, ligar e acionar a parada de emergência do manipulador respectivamente. Todas as teclas e botões usados na IHM são de tamanho grande, modelo de 16 mm de diâmetro, e robustos do tipo anti-vandalismo, com exceção do botão da parada de emergência. Seu gabinete possui dimensões de 300x140x60 mm e um rasgo oblongo na parte superior para fixar a IHM na parte de trás do gabinete eletroeletrônico da Figura 3.

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Figura 8 – Foto da IHM desenvolvida sendo manuseada pelo operador com luvas de couro.

O grande diferencial desta IHM é que o operador não precisa usar a visão direcionada

a IHM para saber que tecla ou teclas acionar. Somente com o sentido do tato dos dedos, polegar e indicador de ambas as mãos, o operador até com luvas sabe quais teclas está tocando. Essa vantagem pode ser usada na etapa de marcar os pontos de inicio e fim de cada cordão de solda. Na etapa de programação essa vantagem não é usada em função das escolhas e parametrizações que o operador deve fazer com base na visualização das opções do LCD. Entretanto, essa vantagem é de uso obrigatório na etapa de correções de posicionamento da tocha ou de parâmetros de soldagem onde a visão do operador através da máscara de solda deve ficar exclusivamente direcionada para a o arco elétrico e a junta a ser soldada.

Outra vantagem desta IHM que o diferencia das demais é a possibilidade de uso simultâneo dos quatro dedos, dois polegares para acionar as dez teclas frontais e dois indicadores para acionar as quatro teclas laterais, conforme mostra a foto da Figura 8. Isso reduz o tempo de preparação para a soldagem nas etapas de marcação de pontos e programação do manipulador, além de evitar retrabalhos de solda devido à atuação lenta do operador na etapa de correção da soldagem.

No caso da IHM da Figura 1, uma das mãos do operador sustenta a IHM. O polegar desta mão pode acionar as teclas com limitação de alcance enquanto os outros quatros dedos acionam uma chave de proteção, conhecida por dead-man, na parte de trás da IHM. Somente o dedo indicador da outra mão é que realiza a maior parte do acionamento das teclas da IHM. Para realizar correções de trajetória durante a soldagem o operador terá que deslocar sua visão da soldagem para o teclado da IHM e vice-versa. Isso gera desgaste ao operador e atrasos de correção que podem comprometer a qualidade da solda realizada.

No caso das IHM´s da Figura 2, uma das mãos sustenta a IHM enquanto que somente o dedo indicador da outra mão executa o acionamento das teclas. Além disso, a IHM de correção é limitada para produzir apenas deslocamentos positivos ou negativos somente nos quatro eixos de seu manipulador. Correção de parâmetros como a velocidade de soldagem, amplitude e frequência de oscilação não são executados por este modelo de IHM.

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4. CONSIDERAÇÕES FINAIS A metodologia de desenvolvimento aplicada juntamente com os conceitos de ergonomia e de usabilidade direcionados ao usuário contribuiu de forma significativa para o projeto de uma eficiente IHM de soldagem.

O uso de várias peças, perfis e chapas, para a montagem do gabinete, processos de fabricação simples e componentes eletrônicos padronizados de mercado, possibilitou construir uma IHM de baixo custo, cerca de R$ 400,00 em componentes e materiais.

A construção deste protótipo de IHM de soldagem mostra também a capacidade crítica e empreendedora dos alunos de iniciação científica que estão cientes da necessidade de inovar procedimentos automáticos de soldagem, equipando de forma inteligente e econômica o laboratório de soldagem de nossa instituição de ensino. Além disso, essa atividade exigiu dos alunos habilidades interdisciplinares, pois envolveu conhecimentos práticos de soldagem, acionamentos, eletrônica, desenho técnico, metrologia e fabricação mecânica.

Agradecimentos Os autores agradecem ao Departamento de Metal Mecânica (DAMM) do IFSC pela infraestrutura cedida, ao MEC/FNDE via o Programa de Ensino Tutorial e ao Programa de Apoio ao Fortalecimento dos Grupos de Pesquisa do IFSC pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR ISO 9241-11: requisitos ergonômicos para trabalho de escritório com computadores - Parte 11: Orientação sobre usabilidade, 2011. FANUC ROBOTICS. System R-J2 controller handling tool setup and operations manual. Disponível em: <http://scemosystems.fi/downloads/ pdf/fanuc_system_r-j2_controlling_cabinet_handlingtool_setup_user_manual.pdf> Acesso em: 15 maio 2015. HUBERT, I. L. Instituto Federal de Santa Catarina. Desenvolvimento mecânico de um manipulador para execução de procedimentos automáticos de soldagem a arco elétrico, 2014, 82p, Dissertação. KENTEC DISPLAY. User guide display: Stellaris LaunchPad LCD Boosterpack EB-LM4F120-L35, 2013. 5 p. OKUYAMA, M. P. Universidade Federal de Santa Catarina. Ergonomia e engenharia de usabilidade aplicadas no desenvolvimento da interface homem-máquina para um sistema interativo de soldagem automatizada, 2012, 165p, Dissertação. PIRES, R. P. Instituto Federal de Santa Catarina. Planejamento e correção de trajetórias em manipulador de soldagem, 2014, 114p, Dissertação. SPS. Tartílope V4 – Manual do equipamento. Disponível em: <http://www.sps-soldagem.com.br> Acesso em: 07 maio 2015. TEXAS INSTRUMENTS. User Manual: Stellaris® LM4F120 LaunchPad Evaluation Board. 2012. 28p.

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SCIENTIFIC INITIATION IN MECHATRONICS ENGINEERING COURSE - CASE STUDY: DEVELOPMENT OF AN HMI FOR A

WELDING MANIPULATOR Abstract: This article describes the relevance, methodology and results of the scientific research work developed by the group of students of the Tutorial Education Program (TEPi) from the Mechatronics Engineering course of the the Instituto Federal of Santa Catarina (IFSC). The design and construction of a human-machine interface (HMI) for a welding manipulator was selected as theme. With the fast development of mechatronics in the welding sector, there is a mismatch between technological innovations and manual activities welder, this being limited by biological factors. The most rational solution is to integrate this professional as robot operator and the welding manipulators. However, commercial HMI's are unintuitive and are not ergonomically correct especially when the operator uses leather gloves in the trajectory correction operations during welding. Faced with this obstacle, it was assumed the challenge of developing an HMI applying ergonomic studies guided by a system previously studied and directed the engineering usability. This methodology was applied in accordance with its four sequential steps: operating context analysis, specification of requirements, production solutions and evaluations of the product against the requirements. The best solution found for the HMI was built in a modular form, with dimensions 300x140x60 mm to facilitate its manufacture and installation of components and possible maintenance. The HMI prototype keyboard is recognized by the operator by touch and its buttons can be simultaneously activated by thumb and indicator fingers of both hands, reducing the execution time of welding procedures. Key-words: Ergonomic-project, Human-machine interface, Automatic welding.