P3R3 - Robô na Escola

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1 2015 P3R3 - Robô na Escola Tutorial Motores e Sensores 1

2 Coordenador Marco José de Sousa Colaboradora - Diretora Escola Estadual Luiz Nunes Direito Maria de Belém Miranda de Souza Bolsista - LAPS Laboratório de Processamento de Sinais Adalbery Rodrigues Castro Bolsista GVA Grupo de Vibrações e Acústica Gustavo da Silva Vieira de Melo Bolsista Graduando Engenharia da Computação Alisson Ricardo da Silva Souza Equipe de Desenvolvimento Alisson Ricardo da Silva Souza Alexandre Van Der Vem Edson de Jesus Rodrigues Gonçalves José Heitor Linhares Mariano Yuri Chaves Freimann Colaboradores Arthur William da Silva Ramos Italo Tempes Wederson Silva Projeto Gráfico Alisson Ricardo da Silva Souza Edson de Jesus Rodrigues Gonçalves Realização: Apoio: 2

3 Sumário 1 Motores História Tipos de Motores Servo Motor Motor de Passo Motor corrente Continua Sensores Definições de Sensores Sensores de Linha com LDR Sensor de Linha com Infravermelho Sensores de Obstáculos com Ultrassom Sensor de Obstáculos com Infravermelho Bibliografia

4 1. Motores História Figura 1 - Obra De Magnete. 641 a.c. O fenômeno da eletricidade estática já havia sido observado antes pelo grego Tales, ele verificou que ao atritar uma peça de âmbar com pano, esta adquiria a propriedade de atrair corpos (pelos, penas, cinzas,...) O cientista inglês William Gilbert publicou, em Londres a obra intitulada De Magnete, descrevendo a força de atração magnética Foi construída a primeira máquina eletrostática, pelo alemão Otto Guericke, e aperfeiçoada em 1775 pelo suíço Martin Planta O físico dinamarquês Hans Christian Oersted, ao fazer experiências com correntes elétricas, verificou que a agulha magnética de uma bússola era desviada de sua posição norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente elétrica, dando assim, o primeiro passo para em direção ao desenvolvimento do motor elétrico. Figura 2 - Experiencia de Faraday de Michael Faraday cria duas experiências para a demonstração de rotação eletromagnética. 4

5 1825 O sapateiro inglês William, em paralelo a usa profissão, inventa o eletroímã. Figura 3 - Rotary por Jedlik, 1827 a Jedlik inventa a primeira máquina rotativa O inglês W. Ritchie inventou o comutador construindo um pequeno motor elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente Com grande sucesso obteve o motor elétrico desenvolvido pelo arquiteto e professor de física Moritz Hermann von Jacobi, aplicou-o a um bote. Alimentados por células de baterias, o bote transportou 14 passageiros e navegou em uma velocidade de 4,8 quilômetros por hora. O motor DC foi criado a partir do desenvolvimento de geradores de energia (dinamómetros). As bases foram lançadas por William Ritchie e Hippolyte Pixii, em 1832 com a invenção do comutador e, mais importante, por Werner Siemens em 1856 com o double-t, por seu engenheiro-chefe, Friedrich-Alteneck Hefner, em 1872, com o armadura na forma de tambor. Motores DC ainda tem uma posição dominante no mercado hoje no baixo consumo de energia (abaixo de 1 kw) e baixa tensão (abaixo de 60 V) Tipos de Motores Figura 4 - Motor elétrico parte interna. Photopin. Motores são dispositivos que convertem outros tipos de energia em energia mecânica, de forma a dar movimento a máquinas. Os robôs usam motores como propulsores, para a locomoção, como atuadores, para braços ou outros tipos de manipuladores, ou em qualquer componente que realize algum movimento dentro de um espaço de locomoção. 5

6 Figura 5 - Motor DC presentes no circuitos do robô. Photopin. A especificação dos motores caracteriza uma das tarefas mais importantes no desenvolvimento de projetos de robótica, pois são eles que determinam o consumo de corrente elétrica e, consequentemente, os sistemas de alimentação e armazenamento de energia. O tamanho e a maneira de fixar o motor escolhido também influenciam no projeto mecânico do chassi e das eventuais caixas de transmissão e redução Servo Motor Características Figura 6 - Projeto de robô que se utilizam Servo motor. Photopin. Os servos motores são usados em várias aplicações quando se deseja movimentar algo de forma precisa e controlada. Sua característica mais importante é a sua capacidade de movimentar a uma posição e mantê-lo, mesmo quando sofre uma força contraria. 6

7 Figura 7 Servo Motor. Wikimedia Suas caraterísticas internas são: Figura 8 - Estrutura do Servo Motor. Circuito de Controle responsável pelo monitoramento do potenciômetro acionamento do motor visando obter uma posição pré-determinada. Potenciômetro ligado ao eixo de saída do servo, monitora a posição do mesmo. Motor movimenta as engrenagens e o eixo principal do servo. Engrenagens reduzem a rotação do motor, transferem mais torque ao eixo principal de saída e movimentam o potenciômetro junto com o eixo. Caixa do Servo caixa para acondicionar as diversas partes do servo. Funcionamento O servo motor gira conforme a polaridade da tensão aplicada, pois se trata de um motor de corrente contínua comum. De modo a impedir que ele movimente muito 7

8 rápido os demais elementos do servo, um sistema simples de engrenagens (ou mesmo correias) pode ser usado. O motor movimenta tanto a alavanca que vai proporcionar o acionamento externo, ou seja, que vai ser acoplada ao dispositivo final como também o eixo de um potenciômetro. O potenciômetro funciona como sensor de posição para o circuito de realimentação. O circuito de realimentação tem por base um comparador de tensão comum. Um comparador de tensão nada mais é do que um amplificador operacional com um ganho muito alto, de modo a haver uma comutação muito rápida de sua saída em determinadas condições. Figura 9 - Gráfico do funcionamento do Servo motor. A ideia básica do servo é converte um sinal elétrico, por exemplo, uma tensão, num movimento proporcional de uma alavanca ou ainda um cursor. Se um servo pode ter uma alavanca que se movimente de 90 graus, por exemplo, quando a tensão de entrada varia de 0 à 1 volts, as tensões intermediária aplicadas na entrada do circuito podem levar a alavanca a qualquer posição intermediária cujo ângulo seja proporcional a estas tensões. Esta proporcionalidade entre o movimento e a tensão de entrada também leva estes dispositivos a serem classificados como de controles proporcionais. Em outras palavras, existe uma proporção direta entre o ângulo de giro da alavanca do Servo motor e a tensão aplicada à sua entrada. Vantagens Uma das principais vantagens do servo motor é a possibilidade de possível controlar o torque no eixo, de forma constante e em larga faixa de rotação. Baixo Custo Suavidade em baixas rotações Sem consumo em paradas 8

9 Altos torques de pico Operação em altas velocidades Desvantagens Em relação com outros tipos de motores podemos destacar os seguintes fatos como desvantagens no uso desses motores. Circuito mais complexo Baixo desempenho em baixa velocidade Comutações limitadas Motor de passo Figura 10 - Robô construído usando Servo motor. Photopin. Características Figura 11 - Rodas que se utilizam de motores servos. Photopin. O motor de passo é um dispositivo empregado na conversão de pulsos elétricos em movimentos rotativos e possuem três estágios: parado, ativado como rotor travado ou girando em etapas. São utilizados cada vez mais em áreas como informática e robótica, pois possuem uma alta precisão em seu movimento, além de serem rápidos, confiáveis e fáceis de controlar. 9

10 Figura 12 - Rodas que se utilizam de motores servos. Photopin. Os mais usados são os motores Unipolares que possuem 2 ou 4 bobinas. Nestes, cada fase consiste de um enrolamento com derivação central ou mesmo de dois enrolamentos separados, de forma que o campo magnético possa ser invertido sema necessidade de se inverter o sentido da corrente. Já os bipolares, exigem circuitos mais complexos por possuírem muitas bobinas na mesma carcaça. Sua grande vantagem é prover maior torque, além de ter uma menor proporção no tamanho. Fisicamente este motor tem enrolamentos separados, sendo necessária uma polarização reversa durante a operação para o passo acontecer. Funcionamento Figura 13 - Estrutura interna de um motor de passo. Photopin. Figura 14 - Funcionamento do motor de passo. Wikimedia. O funcionamento básico do motor de passo é dado pelo uso de solenoides alinhados dois a dois que quando energizados atraem o rotor fazendo-o se alinhar com o eixo determinado pelos solenoides, causando assim uma pequena variação de ângulo que é chamada de passo. A velocidade e o sentido de movimento são determinados pela forma como cada solenoide é ativado (sua ordem e a velocidade entre cada ativação). 10

11 Vantagens Os motores de passo possuem como vantagem em relação aos outros tipos de motores: Precisão no torque Excelente resposta a aceleração e desaceleração Seguem uma lógica digital Alta precisão em seu posicionamento. Desvantagens Figura 15 - Movimentação do motor. Wikimedia. Em relação com outros tipos de motores podemos destacar os seguintes fatos como desvantagens no uso de motores de passo: Baixo desempenho em altas velocidades Requer certo grau de complexidade para ser operado Ocorrência de ressonância por controle inadequado Motor de Corrente Continua Figura 16 - Projeto de robótica utilizando motor DC. Photopin. 11

12 Características Existem diversos tipos de motores DC, tais como os de imã permanente, sem escovas ou ainda de relutância variável. Os mais comuns (e baratos), que podem ser encontrados numa enorme faixa de tamanhos e tensões de trabalho, são os que fazem uso de escovas. Nelas, um conjunto de bobinas gira tendo sua corrente comutada por escovas que invertem o sentido da corrente a cada meia volta de modo a manter o movimento. Figura 17 - Parte de um motor de corrente continua. Photopin. Estes motores possuem um rendimento razoável quando usados em projetos de Robótica e Mecatrônica, sendo por este motivo os preferidos de muitos projetistas. Eles podem ser encontrados numa ampla faixa de tensões nominais, tipicamente entre 1,5 e 48 volts. Funcionamento Os motores de corrente contínua (CC) ou motores DC (Direct Current), como também são chamados, são dispositivos que operam aproveitando as forças de atração e repulsão geradas por eletroímãs e imãs permanentes. Figura 18 - Rotação do motor DC. Wikimedia. Quando passar correntes elétricas por duas bobinas próximas, os campos magnéticos criados poderão fazer com que surjam forças de atração ou repulsão. Partindo então da posição inicial, em que os polos da bobina móvel (rotor), ao ser percorrido por uma corrente e alinhados com o imã permanente temos a manifestação de uma força de repulsão. Esta força de repulsão faz o conjunto móvel mudar de 12

13 posição. A tendência do rotor é dar meia volta para seu polo Norte se aproxime do polo Sul do imã permanente e seu polo Sul se aproximará do polo Norte pelo qual será atraído. Figura 19 - Rotação do Motor DC. Wikimedia. No entanto, no eixo do rotor, por onde passa a corrente que circula pela bobina, existe um comutador. A finalidade deste comutador é inverter o sentido da circulação da corrente na bobina, fazendo com que os polos invertam-se. O resultado disso será uma transformação da força de atração em repulsão, o que fará com que o rotor continue seu movimento em outro sentido. Mais meia volta, e quando isso poderia ocorrer, a nova posição faz com que o comutador entre em ação e temos nova comutação da corrente. Com isso os polos se invertem. Figura 20 - Rotação do Motor DC. Wikimedia. O resultado disso é que o rotor não para, pois deve continuar em busca de sua posição de equilíbrio. Evidentemente isso nunca vai acontecer, e enquanto houver corrente circulando pela bobina o rotor não vai parar. A velocidade de rotação deste tipo de motor não depende de nada a não ser da força que o rotor tenha de fazer para girar. Desta forma, os pequenos motores de corrente contínua têm uma velocidade muito maior quando giram livremente do que quando girar fazendo algum tipo de esforço (movimento alguma coisa). Igualmente, a corrente exigida pelo motor depende da oposição que o rotor encontra para sua movimentação. Fazendo mais força, o consumo aumento. 13

14 Normalmente, as velocidades de operação dos pequenos motores são elevadas e para os casos em que necessitamos de mais força e de um movimento mais lento, precisamos contar com recursos, como uma caixa de redução. Figura 21 - Motor usando sistema de redução baseado em correia. Photopin. A redução é facilmente calculada bastando para isso medir o diâmetro do eixo do motor e o diâmetro da polia maior. A relação entre os dois valores indica a taxa de redução, portanto o fator pelo qual ficará multiplicado o torque do motor. A exemplo, considere um eixo de 5 mm e uma polia de 5 cm de diâmetro teremos uma taxa de redução de 10 para 1. Isso significa que a força fica aumentada em 10 vezes e a velocidade fica reduzida em 10 vezes. Sistemas mais sofisticados incluem o uso de engrenagens como, por exemplo, a caixa de redução ou sistema de correia. Vantagens A principal forma de propulsão de muitos dispositivos que tenham partes mecânicas como robôs, braços mecânicos, videocassetes, automação, é o motor elétrico corrente continua. Os motores de corrente contínua consistem numa forma simples e barata de se obter propulsão mecânica para dispositivos eletromecânicos. Figura 22 - Motor de correntes continua do tipo sem escova. Photopin. 14

15 Desvantagens Figura 23 - Robô que utiliza motores DC. Photopin. No entanto, sua variedade de características e o seu princípio de funcionamento exigem recursos especiais para que eles possam ser utilizados corretamente. Estes motores possuem um rendimento razoável quando usados em projetos de Robótica e Mecatrônica. 2. Sensores A Internet das Coisas e Sensores Figura 24 - Representação de um sistema de carro e casa conectado. Photopin. A nova tendência da tecnologia é uso de sensores para obter informações de forma mais ágil e eficiente de tudo aquilo que possa ser medidos e torna relevante para pesquisas, indústria, saúde, meio ambiente e residências, ou seja, na vida das pessoas. Os sensores já eram utilizando há muito tempo, porém, pelo avanço da internet processos antes caros se tornaram mais acessíveis, desde comunicação, computação e processamento de dados. 15

16 Figura 25 - Monitoramento do meio que se encontra a planta. Photopin. As grandes quantidades de informações obtidas por meio de sensores em conjunto com internet e bancos de dados poderão resultar em soluções para diversos problemas cada vez mais comuns na vida das pessoas desde a área de saúde até os meios de transporte. Assim, por meio de sensores que vão desde sistemas de câmeras até sensores de toques, os objetos são capazes de monitorar, coordenar ou controlar através de uma rede de dados ou da Internet. Assim define-se A Internet das Coisas ou Internet of Things (IOT) Definições de Sensores Em geral, Sensores são dispositivos capazes de detectar ações ou estímulos externos e responder em consequência. Estes aparelhos podem transformar as grandezas físicas ou químicas em grandezas elétricas. Figura 26 - Robô com sensores de Infravermelho e ultrassom. Photopin. Na eletrônica, um sensor é conhecido como qualquer componente ou circuito eletrônico que permita a análise de uma determinada condição do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade; uma medida um pouco mais complexa como a rotação de um motor ou a distância de um carro até algum obstáculo próximo. 16

17 Nos projetos de robótica adotasse em geral três tipos de sensores; ultrassom, infravermelho e LDR. Podem-se divididos em duas categorias sensores de linha e obstáculos Sensores de Linha com LDR Figura 27 - LDR. Wikimedia. O sensor de linha é utilizado comumente em robôs seguidores de linha ou qualquer aplicação que necessite identificar maior ou menor reflexão de luz. Características Os sensores resistivos são aqueles que em circuitos comportam-se como resistores, mas, devido a certas propriedades físicas ou químicas, variam o valor de sua resistência de acordo com certas características, como luminosidade ou temperatura. Esses são os modelos mais comuns, dentre os quais podemos destacar o LDR. Quando um LDR, um dispositivo cuja resistência varia de acordo com a luminosidade, é submetido a uma luz cada vez mais intensa, pode-se verificar que sua resistência diminuirá gradativamente. Utilizando um circuito divisor de tensão, podemos fazer com que através dessa variação da resistência, haja uma variação na tensão. E assim, utilizados em projeto com dispositivos com Arduino. Funcionamento Figura 28 - Funcionamento de LDR. Wikimedia. O sensor de linha com LDR e composto por um LED emissor e LDR receptor com esse conjunto de dispositivo é possível detectar a linha preta. O emissor emite a luz infravermelha e quando essa luz for refletida, o receptor LDR irá receber a luz, através de um dispositivo especifico como Arduino é possível detectar essa recepção. Quando 17

18 for refletida e recebida pelo receptor, será indicado que abaixo do nosso receptor tem uma superfície que reflete a luz. Figura 29 - Funcionamento de sensor de linha com LDR. Quando o sensor estiver acima da faixa preta, haverá pouca reflexão de luz, então com isso podemos afirmar que está sobre a faixa preta. Ao se detectado que o sensor saiu da faixa preta pode-se acionar motores que conduziram para a faixa da linha novamente, por essa razão chamamos de seguidor de linha ou sensor de linha. Vantagens Figura 30 - Funcionamento do sensor de linha com LDR. Figura 31 - Projeto de robô usando sensor de LDR. Photopin. 18

19 Projetos de sensores de linhas construídos com esse sensores são mais baratos que os utilizados com infravermelho. Desvantagens Necessita de uma superfície com poucas variações de coloração e tonalidade. Interferência de luz externa. Pouco sensível comparado com infravermelho Sensor de Linha com Infravermelho Características Figura 32 - Sensor de linha com LDR. Photopin. Um sensor de infravermelho pode ser passivo ou de recepção ou ativo ou de emissão ativo é composto por um emissor de luz infravermelha e um receptor, que reage a essa luz. Por sua vez, um sensor de infravermelho passivo não emite luz infravermelha, mas apenas capta esse tipo de luz no ambiente. Figura 33 - Robo que utiliza sensor de linha com IR. Photopin. 19

20 Funcionamento Figura 34 - Robô se movimentando na faixa preta. Photopin. Com um emissor e um receptor infravermelho é simples detectar a linha preta. O emissor emite a luz infravermelha e quando essa luz for refletida, o receptor irá receber a luz e através do Arduino é possível detectar essa recepção. Quando for refletida e recebida pelo receptor, será indicado que abaixo do nosso receptor tem uma superfície que reflete a luz. Quando o sensor estiver acima da fita isolante, por ela ser preta, não refletirá luz, então com isso podemos afirmar que está sendo detectando a linha preta. Ao detectar se o carrinho está saindo da linha, acionamos os motores de forma a nunca permitir que saia da linha. Com essa montagem de emissor + receptor, estamos trabalhando com uma lógica binária, reflete luz ou não reflete, ou seja, ou o sensor está acima de superfície clara ou o sensor está acima da linha preta. 20

21 Vantagens Figura 35 - Sensor de linha com LDR. Photopin. Umas das grandes vantagens do uso do infravermelho estão a sua imunidade a interferências sonoras e possibilidade de ser transmitido e recebido com componentes comuns de baixo custo e fácil utilização. Desvantagens O problema com essa tecnologia é que pode ser facilmente interferida por outras fontes de luz ao redor, diminuindo sua precisão sendo bloqueado por obstáculos e refletindo-se em alguns materiais. Para que esse sistema funcione é preciso observar diversos fatores que podem influir no seu desempenho. À medida que se necessita de um alcance maior, a velocidade de transmissão de dados começa a ser comprometida Sensores de Obstáculos com Ultrassom Figura 36 - Robô que se utiliza de sensor de obstáculo de ultrassom. Photopin. 21

22 Características Os sensores de ultrassom ou ultrassônicos são sensores que detectam a presença de obstáculos e que podem calcular a distância em que se encontram estes obstáculos. O seu princípio de funcionamento baseia-se na emissão de ondas sonoras de alta frequência e na medição do tempo que o eco produzido, quando esta onda se choca com um objeto capaz de refletir o som, leva para voltar até o receptor. Possuem este nome por trabalharem com frequências acima das frequências audíveis. Funcionamento Figura 37 - Ultrassom. Photopin. Figura 38 - Circuito do ultrassom dispositivo para Arduino. Photopin. O princípio de operação desses sensores é exatamente o mesmo do sonar, usado pelo morcego para detectar objetos e presas em seu voo cego. O pequeno comprimento de onda das vibrações ultrassônicas faz com que elas se reflitam em pequenos objetos, podendo ser captadas por um sensor colocado em posição apropriada. O comprimento de onda usado e, portanto, as frequências são muito importantes nesse tipo de sensor, pois ele determina as dimensões mínimas do objeto que pode ser detectado. Levando-se em conta a velocidade do som, pode-se determinar com precisão a velocidade de aproximação ou afastamento do objeto pela medida da alteração de sua frequência. Vantagens Esses sensores se caracterizam por operar por um tipo de radiação não sujeita a interferência eletromagnética e totalmente limpa, o que pode ser muito importante para 22

23 determinados tipos de aplicações. Podendo operar de modo eficiente detectando objetos em distâncias que variam entre milímetros até vários metros, eles podem ser empregados para detectar os mais variados tipos de objetos e substâncias. Desvantagens Como qualquer tipo de sensor, o posicionamento correto e a observação de eventuais fontes capazes de interferir no funcionamento são fundamentais para se obter um bom desempenho de um sistema. Figura 39 - Reflexão em objeto superfície regular. Reflexões Dependendo da natureza do material a ser detectado, o ultrassom pode tanto penetrar como passar por reflexões múltiplas, podem alterar as indicações por um efeito de interferência destrutiva. Figura 40 - Reflexão em superficie irregular. Limite É preciso definir a faixa de distância de detecção do sensor para que problemas de sinal não ocorram. Direção Em uma aplicação em que se utilizem elementos que irradiam sinais de qualquer tipo deve-se considerar a direção do sensor e do emissor. Reverberação Quando um pulso ultrassônico é aplicado a um objeto, ele consiste numa forma de energia que será em parte absorvida e em parte refletida por esse objeto. O que ocorre é que a energia absorvida pode levar o objeto a vibrar na mesma frequência por alguns instantes. O resultado é que o pulso refletido pode ter uma duração maior do que a do pulso transmitido por esse efeito de prolongamento ou reverberação. 23

24 2.1.4 Sensor de Obstáculos com Infravermelho Figura 41 - Projeto de robô usando sensor de obstáculo infravermelho. Photopin. Características Existem sensores de infravermelho ativos e passivos. Um sensor de infravermelho ativo é composto por um emissor de luz infravermelha e um receptor, que reage a essa luz. Por sua vez, um sensor de infravermelho passivo não emite luz infravermelha, mas apenas capta esse tipo de luz no ambiente. Funcionamento Figura 42 - Sensor de obstáculo com infravermelho. Photopin. Neste tipo de aplicação, um feixe é projetado por LED emissor de luz infravermelha que, ao ser refletido por algum obstáculo, é detectado por um fototransistor. Quanto mais próximo o obstáculo estiver do conjunto emissor-receptor, maior será a intensidade do sinal recebido. Vantagens Umas das grandes vantagens do uso do infravermelho estão na sua imunidade à interferências e possibilidade de ser transmitido e recebido com componentes comuns de baixo custo e fácil utilização. 24

25 Desvantagens Figura 43 - Sensores de obstáculos com infravermelho. Photopin. O problema com essa tecnologia é que pode ser facilmente interferida por outras fontes de luz ao redor, diminuindo sua precisão sendo bloqueado por obstáculos e refletindo-se em alguns materiais. Para que esse sistema funcione é preciso observar diversos fatores que podem influir no seu desempenho. À medida que se necessita de um alcance maior, a velocidade de transmissão de dados começa a ser comprometida. 3. Bibliografia [1] História do motor elétrico [2] [3] desvia-de-obstaculos-com- [4] [5] sensores-v2.0.pdf [6] [7] Internet das Coisas - sensores. [8] Imagens obtidas da Wikimedia e Photopin com licenças da creative commons. 25