ROBÔ PINTOR: UM ESTUDO PRÁTICO DA...

Mostra Nacional de Robótica (MNR) 1

ROBÔ PINTOR: UM ESTUDO PRÁTICO DA ROBÓTICA. Josualdo Dias1, 2, Bárbara Helena Gomes 1, 3 , Francisco Helio da Cunha Junior1, 4 .

1UNIVERSIDADE POLITÉCNICA DE MADRI – UPM / BOLSISTAS CNPQ - BRASIL R/ Ronda de Valencia, 3, 28012, Madri – Espanha

2UNIVERSIDADE DO ESTADO DA BAHIA – UNEB

Rod BR 110 Km 3, Alagoinhas - BA , 45820-360. ([email protected])

3CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA – CEFET/RJ

Av. Maracanã, 229, Maracanã, Rio de Janeiro – RJ, 20271-110. ([email protected])

4 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE – UFRN Avenida Senador Salgado Filho, 3000 - Lagoa Nova, Natal - RN, 59078-970.

([email protected])

Resumo Este trabalho descreve o desenvolvimento e construção do robô pintor, desde análise da proposta até o funcionamento do dispositivo. Onde através da robótica, como disciplina, propõe um trabalho prático que envolve teoria e a prática da construção de mecanismos robóticos que satisfaçam as condições impostas. Etapas que consistem em analisar a proposto, revisar suas restrições, gerar e selecionar possíveis soluções e por fim construir o projeto. O processo de construção do robô se caracteriza pela idealização estrutural, criação de protótipos, busca por componentes adequados ao desenvolvimento da proposta, aquisição de componentes, montagem e teste.

Palavras Chaves: Robô Pintor, Robótica, Prática, Criação.

Abstract: This paper describes the development and construction of the painter robot, since analysis of the proposal to the operation of the device. Where through robotics as a discipline proposes a practical work involving theory and practice of construction of robotic mechanisms that satisfy the conditions imposed. Steps of analyzing the proposed review its restrictions select and generate possible solutions and finally build the project. The process of building the robot is characterized by structural idealization, prototyping, to search for appropriate development the proposal, component procurement, assembly and test components.

Keywords: Painter Robot, Robotics, Practice, Creation.

1 INTRODUÇÃO

A robótica é tida como a ciência dos sistemas que interagem com o mundo real, com pouco ou mesmo nenhuma intervenção humana, em diversas áreas do conhecimento (MARTINS, 2006). Os conhecimentos com o qual a robótica é capaz de interagir com o mundo real são a eletrônica, a mecânica e a informática. Essas áreas do conhecimento, juntas, possibilitam

o desenvolvimento de robôs e trabalhos fantásticos dentro do campo da robótica e áreas mais amplas, como a mecatrônica. Um robô é muito mais que um conjunto de mecanismos e eletrônica, capaz de trabalhar de maneira ininterrupta. Os robôs sugerem modernidade e avanço científico, gerando expectativas para o progresso tecnológico. Em virtude desse progresso tecnológico as disciplinas de Robótica nas universidades oferecem em sua ementa, temas que proporcionam a capacitação necessária para uso de robôs e desenvolvimento de sistemas robóticos em áreas especificas através de trabalhos individuais ou em grupo, como o do Robô de duas articulações capaz de desenhar linhas de no mínimo quinze centímetros de comprimento. O robô pintor, como a proposta desenvolvida é chamada, corresponde à vivência prática da disciplina de robótica dentro dos temas a qual sua proposta está firmada. Assim este trabalho descreve o desenvolvimento e construção do robô, desde análise da proposta até o funcionamento do dispositivo.

2 DESENVOLVIMENTO DA PROPOSTA

A proposta do trabalho consistiu no desenvolvimento de um Robô Serial de 2 (dois) graus de liberdade e que respeitasse algumas restrições:

- O robô deve ser capaz de desenhar uma linha no mínimo;

- O Controle deve ser feito por sensores externos ou internos;

- O robô deve ser programável ou pré-programado.

Tendo a proposta e restrições definidas, foi iniciada a organização do projeto seguindo premissas básicas para elabaração de qualquer projeto robótico/mecâtronico. Assim

Mostra Nacional de Robótica (MNR)

diviram as tarefas em etapas que consistiam em analisar a proposto, revisar suas restrições, gerar e selecionar possíveis soluções e por fim construir o projeto.

2.1 Analise e Revisão da Proposta

Os robôs seriais são muito comuns nas industrias, seja em linhas de montagem ou outro segmento industrial. Sua representação mais popular é no formato de braço robótico, cujo suas articulações em série, e cada conjunto tem um ou mais motores ou atuadores ligados a hastes que permitem que o braço se mova.

O número de movimentos que fazem as articulações por meio dos atuadores, pode ser chamado de Grau de Liderdade (GDL). O GDL ou Degree of Freedom (DOF) é o número de parêmetros independentes que são necessários para se definir a posição de um corpo no espaço em qualquer instante. Quando o movimento ocorre em apenas um eixo, a articulação tem um GDL e se o movimento ocorrer em mais de um eixo, essa possui dois GDL.

Em relaçao ao controle, sua funçao é de influenciar o comportamento de sistemas dinâmicos. A influência do controle acontece a partir de referências captadas por sensores e interpretadas por um sistema computacional. Os sensores são dispositivos eletrônicos capaz de detectar/captar ações ou estímulos externos e responder em consequência.

Em aplicações industriais os sensores atribuidos a controle dos robôs tem como referência a posição e velocidade dos motores através de uma troca de informações entre sensor e controlador. Entretanto essas informações podem sofrer erros, de acordo a potência do motor e o comportamento da carga sustentada pelo motor.

2.2 Geração e Seleção de Soluções

Seguindo a proposta e a análise das condições impostas para a criação do robô, se chegou a uma pespectiva para a construção do projeto seguindo a lógica de robôs industriais em linhas de produção. Para projetar controladores, ponto relativo ao da proposta, para gerar o movimento de robôs é necessário conhecer o seu modelo matemático. Fêz-se, através da cinemática direta, a determinação da posição e orientação do extremo final do robô.

Por meio do sistema de coordenadas que se toma como referência, conhecemos os valores das articulações e os parâmetros geomêtricos dos elementos do robô.

Figura 1 - Configuração do Robô

Obtivemos o modelo cinemático utilizando Denavit-Hartenberg (D-H).

Figura 2 - Tabela de Parâmetros de D-H

Os parâmetros de D-H são θ (ângulo), d (excentricidade), a (comprimento) e α (torção).

Figura 3 – Matrizes Individuais

Figura 4 – Matriz de Transformação Homogênea

Tendo o resultado da Cinemática Direta, onde se evidenciou as coordenadas referenciais para as articulações do robô, encontraram-se os valores que devem ser tomados das coordenadas articulares do mecanismo para que seu extremo se posicione e oriente segundo uma determinada localização espacial.

Figura 5 - Método Geométrico para robô de 2 GDL

Através do método geométrico se obteve os números de relações geométricas que intervêm nas coordenadas do extremo


do robô, suas coordenadas articulares e as dimensões físicas dos seus elementos. Com base no modelo matemático, verificou-se que o modelo idealizado, era viável dentro das restrições da proposta.

2.3 Construção do Projeto

O processo de construção do robô se caracteriza pela idealização estrutural, criação de protótipos, busca por componentes adequados ao desenvolvimento da proposta, aquisição de componentes, montagem e teste.

Primeiro fêz-se um protótipo do robô em papelão, para tentar prever problemas e eventuais dificuldades. Foi uma montagem simples, com um material de fácil manuseio, mas que mostrou o resultado fisico do que foi encontrado no modelo matemático, em termos dimensionais e de uma melhor maneira de desenvolver o robô.

Figura 6 - Protótipo em papelão do robô pintor

Definiu-se fazer o robô com posicionamento vertical, por apresentar uma programação mais simples e por cumprir o requisito que corresponde ao desenho da linha.

2.3.1 Materiais

O levantamento de materiais para o projeto constitui os principais componentes utlizados para a construçao do robô pintor:

- Servomotor Standard 1501MG

- Servomotor Standard 3001HB

- Diodo 1n4007

- Arduino Uno R3

- Protoboard

- Circuito Integrado Regulador L7806 CV

- Circuito Integrado Regulador L7805 CV

- Capacitor Ceramico Multicapa X7R 100nf/50V

- Capacitor Litio H324(M) 100nf/25V

- Plástico Ecoglass Branco 1x0,5m 5mm

- Barra Rosqueada 4m

- Porca 4m

- Roela

- Fonte De Alimentacao ATX

- Jumpers

- Parafusos 2m

Figura 7 - Servomotor Standard 1501MG

O servomotor é um dispositivo similar a um motor de corrente continua que tem a capacidade de localizar-se em qualquer posição dentro da sua categoria de operação, e se mantem estável em determinada posição. Pode ser controlado tanto em velocidade como pelo posicionamento.

Figura 8 - Arduino Uno R3

Para o controle computacional do robô foi utilizado o Arduino Uno R3, que é uma plataforma de hardware livre, com base em uma placa com microcontrolador, desenhada para facilitar o uso da eletrônica em projetos multidiciplinares. As principais caracteristicas do modelo escolhido são:

Modelo: Arduino Uno - R3 Microcontrolador: ATmega328 Voltagem de entrada: 7-12V Voltagem do Sistema: 5V Frequência de clock: 16MHz Memoria Flash: 32 Kb Digital I/O: 14 Entradas analógicas: 6 PWM: 6 UART: 1 Carregador: Optiboot Interfaz de Programação: USB via ATMega16U2

O diodo é um componente eletrônico de dois terminais que permite a circulação da corrente elétrica através de apenas um


sentido. E o regulador de tensão é um dispositivo eletrônico utilizado para manter o nível de voltagem constante. Foi aplicado também dois condensadores para armazenamento de carga.

Para a estrutura do robô optou-se por utilizarreforçado, que é um material mais leve para a montagem do robô e de fácil manusei ao dividi-lo entre as partes.

2.3.2 Mecânica

A ideia foi criar um robô como o de modelo SCARA, que é um robô com duas articulações, com uma se controla a relação ao plano X-Y e com a outra cordenada Z. dois movimentos rotacionais, pôde trabalhar muito bem para desenhar a linha, além de, por outra lado a ideia do projeto é que seja um robô serial, e o do modelo SCARA seperfeitamente com as caracteristicas.

O sistema mecânico do robô está baseado no movimento atuador do servomotor. As partes do robô estãomeio de articulações de rotação. Essas rotações sãpelos eixos dos servomotores que foram escolhidos conforme um verificação feita sobre as forças necessádesempenhar a tarefa de mover perfeitamente as partes do robô. Na base foi utilizado o Servomotor Standard 3que suporta 17Kg /cm de torque de parada. Na segunda articulação é utilizado um Servomotor Standard 154,4Kg/cm.

Outros dados mecânicas:

a) Servo da primera articulação:

T = 150*12 + 100*38 = 5600J

b) Servo da segunda articulação:

T = 100N * 14cm = 1400J

c) Tamanho das partes: 30 cm x 6 cm

d) Peso da Base: 170g

e) Peso das partes:

1ª parte:150g

2ª parte:100g

o é um dispositivo eletrônico utilizado para manter o nível de voltagem constante. Foi

para armazenamento de

por utilizar um plástico um material mais leve para a montagem do

entre as partes.

como o de modelo SCARA, que é um se controla a posição em rdenada Z. Com esses

de trabalhar muito bem para ideia do projeto é

que seja um robô serial, e o do modelo SCARA se encaixa

O sistema mecânico do robô está baseado no movimento estão unidas por

o. Essas rotações são originadas scolhidos conforme

necessárias para desempenhar a tarefa de mover perfeitamente as partes do

Servomotor Standard 3001HB que suporta 17Kg /cm de torque de parada. Na segunda

é utilizado um Servomotor Standard 1501MG de

Figura 9 - A concepção gráfica

2.3.3 Eletrônica

O Robô utiliza 3 circuitos independentes, porém alimentadospela mesma fonte de corrente com:

a) 1 Regulador de Tensã

b) 1 Regulador de Tensã

c) 2 Capacitores Cerâmicos de 100 µF

d) 1 Capacitor Lítio 100 µF (H324(M))

e) 1 diodo 1N4007

A razão deste circuito é o fornecimento de corrente eléservomotores e arduino, correspondendo ao suportado por esses componentes através de umNos circuitos dos reguladores de tensãcondensadores cerâmicos de 100µF.

Figura 10 - Circuito com TL7805

A concepção gráfica em Autodesk Inventor

O Robô utiliza 3 circuitos independentes, porém alimentados pela mesma fonte de corrente contínua com 12V. Trabalhou

1 Regulador de Tensão TL7806

1 Regulador de Tensão TL7805

Cerâmicos de 100 µF

Lítio 100 µF (H324(M))

é o fornecimento de corrente elétrica aos correspondendo ao suportado por

esses componentes através de uma única fonte de alimentação. rcuitos dos reguladores de tensão utilizamos

condensadores cerâmicos de 100µF.

Circuito com TL7805

Figura 11 - Circuito com TL7806

Em termos gerais é um circuito simples, onde alimentação utiliza um Circuito Integrado (CI), da série TL 78XX, a uma tensão de entrada com 12 V, junto a um capacitor, para que seja armazenada uma tensão de saída y que haja uma melhora na estabilidade da tensão do regulador, que por sua vez é conectado ao servomotor.

Figura 12 - Circuito com Filtro de Capacitor

No circuito de alimentação do Arduino temos uma associação do diodo com o capacitor. O que podemos chamar de filtro de capacitor, mesmo a entrada de corrente já sendo corrente contínua. A função desse circuito é proteger o arduino de sobrecargas, e também de estabilizar a corrente que é prevista.

Figura 13 - Esquema Eletrônico Completo do Projeto


Circuito com TL7806

Em termos gerais é um circuito simples, onde uma fonte de alimentação utiliza um Circuito Integrado (CI), da série TL 78XX, a uma tensão de entrada com 12 V, junto a um capacitor, para que seja armazenada uma tensão de saída y que haja uma melhora na estabilidade da tensão do regulador, que

Circuito com Filtro de Capacitor

temos uma associação do diodo com o capacitor. O que podemos chamar de filtro de

corrente já sendo corrente A função desse circuito é proteger o arduino de

sobrecargas, e também de estabilizar a corrente que é prevista.

Esquema Eletrônico Completo do Projeto

2.3.4 Programação

Para a programação do robô, além do ambiente de desenvolvimento do arduino, utilizouo controle computacional pois permite os cácinemática direta e inversa do robô através de um diagrama de blocos do modelo dinâmico de um robô com 2 GDexistir uma retroalimentação no sistemaanalizar e observar a validação do sistema.

Figura 14 - Robô de 2 GDL conforme cálculo de sua cinemática direta

Uma vez observado o robô funcional na simulaçãorecolher as coordenadas do seu extremo e fonte do arduino através de sua Interface de Desenvolvimento.

Figura 15 - Interface de Desenvolvimento Arduino com código fonte


o do robô, além do ambiente de desenvolvimento do arduino, utilizou-se o Matlab que viabiliza

acional pois permite os cálculos da cinemática direta e inversa do robô através de um diagrama de blocos do modelo dinâmico de um robô com 2 GDL. Por

retroalimentação no sistema de blocos, é possivel o do sistema.

Robô de 2 GDL conforme cálculo de sua cinemática direta

Uma vez observado o robô funcional na simulação, foi possível recolher as coordenadas do seu extremo e inseri-los no código fonte do arduino através de sua Interface de Desenvolvimento.

Interface de Desenvolvimento Arduino com código fonte


3 MONTAGEM DO ROBÔ

Tendo todos os componentes disponíveis e funcionais, se iniciou a montagem do Robô Pintor.

Figura 16 - Montagem da parte Eletrônica do Robô Pintor

Figura 17 - Montagem da parte Mecânica

Figura 18 - Robô Pintor em seu primeiro teste real

4 RESULTADOS E TRABALHOS FUTUROS

O robô foi concluido e testado, verificando que atendeu a todas as restrições impostas na execução do trabalho, onde a prática do estudo da robótica mostrou-se necessária em seus aspectos teóricos. O emprego da Mecênica, Eletrônica e Informática, mostraram-se primordiais para a conclusão do projeto.

O que pode se propor como trabalho futuro é a inserção de mais um servomotor, que assumiria uma nova base e um total de 3 GDL ao todo. Isso ampliaria a área de trabalho do robô e novas áreas atuação. Faz-se necessário uma melhora no código fonte, para então implementar-se de um controle de erros.

5 CONCLUSÕES

A proposta de desenvolver um robô serial, onde fosse possível a regulação de suas funções no espaço de trabalho e cumprindo todos os requisistos propostos. Fazer esse tipo de trabalho é muito importante para construção do saber, seja na área de robótica ou em suas ramificações. Este tipo de desafio permite a aplicação de conceitos estudados e possibilita aprender muitos outros.

Com o auxílio de ferramentas potentes como o Matlab, Autodesk Inventor e o Arduino, provou-se diferentes maneiras de construir tal proposta. O estudo prático da robótica por meio de trabalhos que envolva muito mais que simples preceitos básicos, mostrou-se de grande eficiência a formação do conhecimento.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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17/05/2014.

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Bolton, W. (2010) Mecatrônica: uma abordagem

multidisciplinar. 4º Ed. Bookman. Porto Alegre – RS

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Iorque. CRC Press. Martins, A. (2006) O que é Robótica. Editora Brasiliense, São

Paulo - SP. SECCHI, H. (2008) Una Introducción a los Robots Móviles.

Monografia premiada no concurso da Associação Argentina de Controle Automático – AADECA.

Shigley, JE. ; Uicker, JJ., (1995), Theory of Machines and

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