CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL DR. JOSE MARTIMINIANO DA SILVA. Marcelo Maurin Martins

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1 CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL DR. JOSE MARTIMINIANO DA SILVA Marcelo Maurin Martins Robotinics Projeto robótico Open Source e Open Hardware Ribeirão Preto - SP 2014

2 1 Marcelo Maurin Martins Robotinics Projeto robótico Open Source e Open Hardware Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência final para obtenção do título Técnico em Mecânica Industrial na Escola Técnica Dr. Jose Martiminiano da Silva. Orientador Prof. Ricardo Ribeirão Preto - SP 2014

3 2 Marcelo Maurin Martins Robotinics Projeto robótico Open Source e Open Hardware Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado e aprovado para a obtenção do título de Técnico em Mecânica Industrial da Escola Técnica Dr. Jose Martiminiano da Silva. Ribeirão Preto, de de Coordenador de Área Professor Renato Pelicano Diniz Banca Examinadora Professor Ricardo Faria

4 3 AGRADECIMENTOS A relevância e importância deste tópico demonstra em especial, que muitos me auxiliaram na superação dos desafios aqui promovidos. É praticamente impossível para mim, dizer quão difícil foi para mim a conclusão do curso. Porem se assim foi possível só devo a ajuda e paciência de cada um dos citados. Inicialmente, agradecendo a aquele que sobre todas as coisas é Senhor do nosso destino, e mesmo quando está oculto; sempre toma conta e modela nossa vida. Aos meus pais, o agradecimento póstumo ao meu pai que sobre o esforço de uma vida, me deu condições de hoje aqui estar. A minha mãe, que apesar de tudo, que o amor fortaleça sempre nossos laços eternos. As minhas filhas, pela motivação de uma vida, que me deram inspiração para transformar uma brincadeira de criança, um sonho antigo, onde de certa forma contribuindo com os primeiros cortes no isopor, me deram a inspiração para algo maior. Minhas filhas que tanto amo, segue aqui fruto do trabalho que parte é de vocês também. Que este seja não só inspiração, mas também motivo de luta para que alcance em suas vidas o sucesso nas batalhas que virão. Meu amor eterno! A minha querida Fernanda, que jamais poderei expressar minha admiração e satisfação de estar ao seu lado, que este trabalho reflita meu agradecimento na ausência obstinada e agradecimento eterno. Não obstante, gostaria de agradecer a todos os mestres, que com paciência, tem a mais nobre das profissões. Meu agradecimento a todos os mestres em especial: Prof. Fernando que apresentou de forma simples, o que de fato não era, meu muito obrigado. Prof. Renato, pelas conversas e ajuda em questões que sei que me ajudaram a superar e vencer obstáculos. Prof. Ricardo, pela paciência no ensino do SolidWorks, meu muito obrigado. Prof. Hugo Que muito me orientou no CAD e que contribui muito na superação desta etapa. Prof. Danilo Pela paciência e convicção que enfrenta a doutrina de mestre, meu muito obrigado. Professora Tatiane Pela paciência e exaustivas horas me orientando nos assuntos da eletrônica. Auxiliar Docente Marcelo Pelo empenho e dedicação durante muito tempo me orientando na montagem das peças.

5 4 A todos os outros mestres que passaram em minha vida, meu especial carinho. Ao centro Paula Souza, que não só no curso de mecânica, mas também pela Fatec Taquaritinga, que marcou, e ainda marca nas lembranças de uma vida. Que este trabalho demonstre a constante superação ali iniciada. Em especial meu agradecimento a COMLINK, em especial ao Srs. Leandro e Délio Campos pela paciência e apoio dado no desenvolvimento deste sonho.

6 Eu não creio que exista algo mais emocionante para o coração humano do que a emoção sentida pelo inventor quando ele vê alguma criação da mente se tornando algo de sucesso. Essas emoções fazem o homem esquecer comida, sono, amigos, amor, tudo. Nikola Tesla 5

7 6 Nota pessoal do Autor O objetivo de um TCC (trabalho de graduação) não se limita à demonstrar conhecimento na área em que se estuda. O verdadeiro objetivo é demonstrar a superação, apresentando no TCC o conhecimento adquirido no curso, mas também da inter-relação que este conhecimento refletiu no seu dia a dia, e como o aluno o utilizará no restante da minha vida. A verdadeira barreira de superação que deve ser superada é a da transformação de conhecimento teórico em aplicabilidade prática no dia a dia de nossas vidas. Este trabalho apresenta uma janela evolutiva do meu conhecimento, onde interrelaciono diversas ferramentas técnicas inclusas ou não na área de conhecimento que cursei, apresentando e projetando uma solução única, que jamais poderia ser concebida se não fosse à soma de todos os conhecimentos acumulado incluindo os que cursaram durante os últimos dois anos. Neste sentido, não só estarei apresentando um enfoque direcionado à área mecânica, mas apresentando como este se relaciona a todas as demais áreas. Pois nenhuma área de conhecimento é isolada e a verdadeira sabedoria do conhecimento é lembrarmos que utilizamos cada informação de nosso cérebro para promover melhoria continua das nossas capacidades, almejando sempre a superação, bem como desenvolvimento técnico e profissional para uma melhor qualidade de vida.

8 7 RESUMO O trabalho apresenta todas as técnicas e processos necessários para se construir um robô. Para promover então esta obra, dividiremos o trabalho em 4 etapas: 1. Planejamento e Analise de necessidade 2. Proposta e concepção de Solução Geral 3. Documentação técnica nas áreas necessárias 4. Construção e apresentação do protótipo Apresentando cada uma das etapas envolvidas e como estas foram solucionadas. Apresentando além dos recursos necessários, todas as atividades necessárias, tais como as ferramentarias. Também serão abordados técnicas e equipamentos, detalhando-se também aspectos inter-relacionados a mecânica, eletrônica e software.

9 8 Abstract The paper presents all the techniques and processes necessary to build a robot. Then to promote this work, we share the work in 4 steps: 1. Planning and Analysis of need 2. Proposal and design of General Solution 3. Technical documentation in the necessary areas 4. Construction and presentation of the prototype Introducing each of the steps involved and how they were resolved. Introducing addition to the necessary resources, all necessary activities, such as tooling. Will also be discussed techniques and equipment, detailing is also interrelated aspects mechanics, electronics and software.

10 Controle de Versão São apresentadas aqui, as referências de atualização do documento, obedecendo a um controle de cada mudança. Data: Versão Descrição 28/01/ Criação das divisões, apresentação da formalização padrão do documento. 28/01/ Inclusão de documentação do ITIL, alteração do título, ajustes estilísticos. 30/01/ Início da Fase de Análise Estratégica 31/01/ Montagem de catalogo de serviço 24/03/ Especificações dos Servos motores 27/08/ Modificações e restruturações 01/09/ Implementações de data sheet 22/09/ Correções e implementação de mecânica 07/10/ Implementação da prototipagem 14/11/ Implementação detalhamento de software 21/11/ Implementação e revisão da documentação 24/11/ Normalização e formatação do TCC. 27/11/ Revisão dos cálculos de tração e potencia. 05/12/ Revisões para entrega do TCC 9

11 10 Sumário 1. Planejamento e Analise de necessidade Propósito Objetivo Metas Divisão de responsabilidade Cronograma por Etapas Divisão do projeto Entendendo o Problema Ativos de Serviço Gerenciamento de Catalogo de Serviços Catalogo de Serviços a serem desenvolvidos Identificação Identificação do Projeto Identificação tipos de Serviço área Mecânica Partes Braço Direito e Esquerdo Cabeça Tronco Base Punhos Articulações Outros indicadores do Nível de Serviço Custo de Projeto protótipo Projeto Mecânico Proposta mecânica do projeto Prospecção de protótipo construtivo Protótipo Protótipo Prototipagem Rápida Elementos mecânicos do Robô Braço Mecânico Superior Braço Mecânico Extensão... 46

12 Chapeu Cabeça Superior Cabeça Inferior Corpo Superior Conectores Especificações Mecânicas de esforço dos servos Calculo e dimensionamento de Carga das rodas Calculo de força Arrasto Calculo de Força de rolamento Calculo de força para aclive Calculo de Forças de Esforço de arrasto Calculo de Torque Força de atrito Estrutura final mecânica Projeto Eletrônico Alimentação Carga de Bateria Carregador de Bateria Processador Raspberry PI Microcontrolador - Arduino MEGA Características Shield Expansão Arduino Sensor Shield Pinout de ligação do arduino Shield Placa de Controle dos Motores DC Tabela de Funcionamento dos pinos Criação de Placas de circuito impresso Placa de Controle dos Servos Motores Lista de Componentes Placa controladora de led Lista de Componentes Placa de Distribuição de 12V Placa de Distribuição de 5V Regulador 5v... 91

13 Regulador de Tensão 5v Como funciona um servo motor Servo Tower Pro Mg995 Digi Hi-speed - 15kg Tower Pro MG996R Digital Metal Servo Especificações técnicas LCD 16x2 I2C Exemplo de I2C com arduino Sensor de Tensão Onde é o usado o sensor de tensão Sensor de Corrente TowerPro SG90 - Micro Servo Bluetooth Relê Elementos de tração Rodas Caixa de Redução Motor Diodo Laser Especificações : Calculo do resistor para laser: GPS Especificações Técnicas Protocolo de comunicação do GPS Comandos NMEA GPS e Arduino Sensor de Fumaça Características técnicas LCD Touch Screen Touch screen Elementos do Terminal Placa Controladora do LCD Software Firmware Bloco de start do Arduino

14 Fluxo do bloco Loop Linux Inicialização do robotinics Robotinics.sh VNCSERVER Sshd PHP/ APACHE Motion Mysql SrvMonitor.c FACE.py Falar.sh Ler.sh Network.c Validações técnicas do Projeto Validação de Objetivos Projeto e dimensionamento de componentes Objetivos alcançados Conclusão Apêndices Coeficientes de Atrito de materiais Fonte srvmonitor.c Makefile srvmonitor Fonte Arduino Mega Índice de Figuras Referências Bibliográficas Internet Bibliografias

15 1. Planejamento e Analise de necessidade O planejamento de um projeto é por si só uma empreitada a parte. O Planejamento visa estipular e detalhar procedimentos e técnicas para solucionar e responder a algumas questões relativas ao que se pretende. Porque? O que? Onde? Quem? Como? Quando? Com que? Com a resposta a essas perguntas conseguimos alcançar o objetivo esperado. Ao longo deste capitulo estaremos respondendo estas questões. 1.1 Propósito O Propósito do projeto foi definido como: Ser uma referência de projeto Robótico, servindo como referência e padrão para outros projetos.

16 Objetivo O Objetivo (O que) Apresentar detalhamentos técnicos da construção e desenvolvimento. O Objetivo do projeto: Ser um Robô de uso geral, sobre plataforma open source e open hardware. Que possa ser utilizado e adaptado sobre diversas configurações, se adequando as necessidades de uso. 1.3 Metas É a definição clara do que se pretende alcançar em determinada etapa do projeto (quando). Na definição do projeto temos 3 grandes metas: 1) Identificar, analisar e planejar as necessidades Mecânicas envolvidas no projeto de robótica. 2) Identificar, analisar e planejar as necessidades Eletrônicas envolvidas no projeto de robótica. 3) Identificar, analisar e planejar as necessidades de Software envolvidas no projeto de robótica. 1.4 Divisão de responsabilidade Ao delegar um responsável (Quem), determina-se de forma clara a quem é responsável pelo que em que. A definição de determinada tarefa ou conjunto de tarefas faz parte integrante da análise de cronograma de projeto. A identificação deste tipo de recurso, evita criar situações em que o mesmo colaborador está envolvido simultaneamente em mais de uma atividade. (Wikipédia) As tarefas devem ser serializadas por individuo, podendo ser paralelizadas desde que estas atividades não sejam resultantes uma das outras nem dependam dos mesmos recursos. De fato, o tempo total de um projeto é uma soma dos tempos de cada tarefa.

17 Estas tarefas podem ser divididas para os membros da equipe, desde que respeitando a função e restrições inerentes a cada projeto. De fato, a simples divisão das tarefas agrega tarefas adicionais de sincronização e entendimento que incrementam em fator adicional o custo final do projeto. Uma análise ponderada do número correto de membros de um projeto é fator crucial para o bom andamento do cronograma. 18

18 1.5 Cronograma por Etapas O cronograma é um instrumento de planejamento (Quando) e controle semelhante a um diagrama, em que são definidas e detalhadas minuciosamente as atividades a serem executadas durante um período estimado. 19 (Wikipédia) Sobre visão gerencial, um cronograma é um artefato de controle importante para levantamento dos custos de um projeto e a partir deste artefato, pode ser feita uma análise de viabilidade antes da aprovação final para a realização do projeto. Tabela 1 - Cronograma de macro atividades Meta Etapa Início Fim Descrição e Feedback esperado Mecânica Identificar 2/2013 4/2013 Identificação da aparência do robô, avaliando partes mecânicas. Eletrônica Identificar 4/2013 6/2013 Identificação de necessidades, estudo e entendimento dos processos eletrônicos envolvidos na plataforma arduino. Software Identificar 6/2013 8/2013 Identificando os componentes que serão utilizados em software, apontando as soluções e pesquisando sobre as suas implementações. Mecânica Analisar 5/ /2013 Analise das estruturas mecânicas identificando dentro das aulas apresentadas os elementos de máquina que melhor aderem as necessidades. Eletrônica Analisar 7/2013 8/2013 Analise e desenvolvimento de protótipos identificando os elementos individuais eletrônicos simulando funcionamento. Software Analisar 9/ /2013 Analisar diversas soluções de software embarcado, analisando códigos e entendendo os requisitos necessários de software. Desenvolvendo protótipos funcionais para testar e ajustar as necessidades.

19 Mecânica Planejamento 12/2013 1/2014 Planejamento do projeto mecânico, estipulando cronograma do project. Eletrônico Planejamento 12/2013 1/2014 Planejamento do projeto eletrônico, estipulando o cronograma do projeto. Software Planejamento 11/2013 1/2014 Planejamento do projeto de software, estipulando o cronograma de desenvolvimento. Mecânica Desenvolvimento 2/ /2014 Execução do cronograma Eletrônica Desenvolvimento 2/ /2014 Execução do cronograma Software Desenvolvimento 2/ /2014 Execução do cronograma TCC Apresentação 12/2014 1/2015 Apresentação de trabalho *As atividades deste planejamento não são contempladas aqui 20

20 Divisão do projeto Definições de Funções Função pode ser um time ou grupo de pessoas e ferramentas usadas para realizar um ou mais processos ou atividades; Sobre essa divisão, tem três funções bem definidas: Software Hardware Eletrônica Definição de Processo Processo é um conjunto de atividades inter-relacionadas com um objetivo especifico. Possui entradas de dados, informações e produtos para, através da identificação dos recursos necessários ao processo, transformar estas entradas nos objetivos previstos. (Wikipédia) O processo segue um padrão bem definido, sendo iniciado por um gatilho, executado por um recurso que denota tempo e resultando na saída esperada. Definição de Papéis São um conjunto de responsabilidades, atividade e autoridades definidas em um processo e aplicadas à uma pessoa ou equipe. Dois papéis diferentes podem ser executados pela mesma pessoa, basta que ela tenha a atribuição de fazê-lo. Para este projeto desenha-se os seguintes papéis: (Wikipédia) Papel Gestor de Projeto Técnico eletrônico Técnico Mecânico Desenvolvedor Software de Responsabilidade Responsabilidade gerenciar os recursos a fim de seguir o cronograma previsto, facilitando a integração e regendo as equipes para que o objetivo final seja alcançado na forma que foi estabelecido. Responsável por desenvolver e atender as demandas referentes aos componentes eletrônicos, provendo as montagens e integrações necessárias bem como documentando os processos relacionados. Responsável por desenvolver e atender as demandas referentes aos componentes mecânicos, promovendo as montagens e integrações necessárias, bem como documentando os processos relacionados. Responsável pela implementação e codificação dos programas (softwares) para executar as operações necessárias para execução do projeto.

21 22 2. Entendendo o Problema Para entender o problema precisa-se reavaliar o objetivo, assim deve-se rever o tópico anterior, obtendo o objetivo do projeto. 1.2 Objetivo: Ser um Robô de uso geral, sobre plataforma open source, e de plataforma aberta. Que possa ser utilizado e adaptado sobre diversas configurações, se adequando as necessidades de uso. A avaliação do objetivo, focado na sua realização, cria um levantamento quanto: Ativos de Serviço Riscos Gerenciamento de Portfólio de Serviços Gerenciamento da Demanda 2.1 Ativos de Serviço São os recursos ou características necessárias para executar e gerar o projeto na forma que foi proposto. (Wikipédia) Desta forma, pode-se analisar como ativos de serviço: 1) Recursos: Financeiro, Infraestrutura, Aplicativos, Informação e Pessoas 2) Habilidades: Gerenciamento, Organização, Processos, Conhecimento e Pessoa.

22 23 Recursos O gerenciamento de um projeto deve sempre ser pensado no que deve ser atendido e identificado os recursos pertinentes a este. A sua execução, Ao contrário de Tony Stark 1, não tem-se os recursos disponíveis para qualquer empreitada, desta forma precisa-se avaliar uma grade de possibilidades limitadas pelos recursos disponíveis. Recursos Financeiros O Custo total deste projeto está limitado em R$5000,00, contemplado em todo processo. Desta forma precisa-se contemplar todos os itens e custos para abalizar o projeto dentro do possível. Infraestrutura Dentro da infraestrutura disponível, analisa-se o que se tem disponível, incluindo todas as áreas e equipamentos necessários ou disponíveis para a empreitada. Na análise destes recursos implica na identificação física ou de recursos impeditivos para conceituação ou execução do projeto. Analisando a infraestrutura temos: 1) Casa Apresenta além de um pequeno espaço de 35 m2, possui os seguintes recursos disponíveis: a. 1 servidor Linux AMD Athon, com 3Gb de RAM e HD 1 Tera b. 1 Note book Windows 7, Intel dual core, 4Gb de Ram, HD 1 Tera c. Rede Internet 512Mb d. Rede Lan 100Mb e. Rede Wifi 56k criptogradada f. Impressora 3d XYZPrinting, modelo Da Vinci 1.0 2) Escola A escola possui uma série de laboratórios onde possuem os seguintes recursos que podem ser envolvidos a. Torno Industrial b. Limitado recursos materiais, onde é possível adquirir peças ou produtos diversos conforme necessidade c. Acesso a laboratório de hidráulica e/ou pneumática 1 Tony Stark ou Homem de Ferro é um personagem fictício, um super-herói que aparece em histórias em quadrinhos publicados pela Marvel Comics. O personagem foi criado pelo escritor-editor Stan Lee, desenvolvido pelo roteirista Larry Lieber, e desenhado por artistas Don Heck e Jack Kirby.Ele fez sua primeira aparição em Tales of Suspense # 39 (Março de 1963). Wikipédia

23 d. Acesso a Rede de Computadores da Etec e. Acesso e consulta aos professores e mestres da instituição f. Acesso ao espaço físico e dependências internas garantidas para execução do trabalho. 24 Aplicativos São os programas e aplicações disponíveis a execução deste projeto. Windows 7 Linux Lazarus (free Pascal Compiler) GCC compiler c PHP Apache Mysql Server Solid Works 3D Studio MAX PCB Wizzard Informação e Pessoas São os recursos humanos disponíveis a execução desta atividade. Tabela 2 - Tabela de Recursos Recurso Marcelo Maurin Martins Professores do curso de Mecânica Professores do Curso de Automação e Elétrica Skin /Perfil Analista de Sistemas Vivencia em Integração Eletrônica Conhecimento Eletrônica Digital Estudando Mecânica Industrial Curso superior em Engenharia Vivencia nas disciplinas e áreas que atuam Alguma disponibilidade para análise e avaliação dos recursos. Curso superior em Engenharia Vivencia nas disciplinas e áreas que atuam Alguma disponibilidade para análise e avaliação dos recursos. Organização, Processos São mensurados as organizações e processos envolvidos direta ou indiretamente nesta análise. Organização: Etec Jose Martimiano da Silva É uma instituição de ensino técnico gerida pelo Centro Paula Souza, que possui diversos cursos técnicos, entre eles o curso técnico de mecânica. Que possui 4 semestres.

24 Minha casa Apesar de não ser uma sociedade constituída, minha residência irá compartilhar parte da estrutura fabril inerente a constituição do projeto. Neste sentido como constituinte físico do projeto, deve ser incluída como organização. 25 Processos Os processos relacionados à fase de Estratégia visa apresentar os processos que devem ser contemplados, não as soluções que serão utilizados. Processos que devem ser contemplados no projeto. Divisão do Projeto em Sprints (fases) Movimentação Comunicação com Usuários Identificação de obstáculos Execução de atividades programadas Integração como smart phones Acesso a rede internet Resistencia mecânica para pequenos tombos Autonomia para 15 minutos fora da alimentação Interação facilitada Programação Possibilidade de mudança ou substituição de peças sem necessidade de refazer o projeto todo. Possibilidade de melhoria continua do projeto, com integração por itens funcionais. 2.2 Gerenciamento de Catalogo de Serviços O Catalogo de serviço visa apresentar todos os itens que devem ser desenvolvidos ou fornecidos, apresentando de forma clara e objetiva. Para facilitar este catalogo, estaremos identificando por área de desenvolvimento: Mecânica Eletrônica Software Relacionando cada componente que deve ser mensurado ou fornecido.

25 Catalogo de Serviços a serem desenvolvidos Tabela 3 - Tabela de serviços ou atividades Serviço Área Objetivo Braço Direito Mecânica Desenvolvimento do Braço direito do Robô Braço Mecânica Desenho do Braço Esquerdo do Robô Esquerdo Cabeça Mecânica Desenho da Cabeça do Robô Tronco Mecânica Desenho do tronco do Robô Base Mecânica Desenho da Base do Robô Punho direito Mecânica Desenho do punho direito Punho Mecânica Desenho do punho esquerdo esquerdo Articulação Mecânica Desenho das articulações do Robô Alimentação Eletrônica Desenho técnico da alimentação do Robô, consistindo de fonte externa e baterias. Este sistema contempla também step downs e reguladores de tensão 5Ah, para liberar energia para seus componentes Tração do Eletrônica Contempla desenhos e especificações para controle e Robô gerenciamento de movimento do robô Sistemas Eletrônica Responsável pelo controle das luzes e leds do robô luminosos Sistema de Eletrônica Responsável pelo controle dos motores das articulações articulação do robô Controladores Eletrônica Responsável pelo gerenciamento dos dispositivos conectados aos controladores, bem como suas conexões CPU Eletrônica Responsável pela eletrônica do CPU escolhido. Embarcado Periféricos Eletrônica Responsável pela escolha dos periféricos e suas conexões com CPU e os Controladores SO Software Responsável pela escolha do sistema operacional do CPU embarcado, suas características e necessidades Softwares Software Responsável pelo software dos micro-controladores Micro controlados Softwares Software Responsável pela gestão dos dispositivos a ele CPU conectados, também responsável pela lógica do funcionamento do robô.

26 27 Tabela 4 - Matriz RACI Matriz RACI Atividades\responsável Resp. Mecânico Resp. Eletrônico Desenvolvedor Gestor de Projeto Braço Direito R I A Braço Esquerdo R I A Cabeça R C A Tronco R A Base R C I A Punho direito R I A Punho esquerdo R I A Articulação R C I A Alimentação C R A Tração do Robô C R I A Sistemas luminosos R I A Sistema de articulação C R I A Controladores R C A CPU Embarcado R C A Periféricos R C A SO I R A Softwares Micro C R A controlados Softwares CPU I C R A *A matriz RACI demonstra nível de responsabilidade entre áreas Tabela 5 - Referência das responsábilidades R A C I Responsável Pessoa que trabalha na tarefa Autoridade Pessoa que tem autoridade e tem responsabilidade pelo sucesso da tarefa Consultado Pessoa quem deve ser consultado ou tem parte da responsabilidade no processo. Geralmente são pessoas que consomem a informação Informado, quem deve receber a informação de que a atividade foi executada.

27 Identificação Neste item, dividirão os serviços conforme suas áreas de atribuição Identificação do Projeto Os detalhamentos dos requisitos técnicos do robô contemplam a suas partes, e de certa forma validam o conjunto em si. Desta forma é necessário fazer uma especificação técnica do projeto como um todo. O Robô deve ter as seguintes características técnicas: Altura que deve chegar até 1,5 m Peso que deve variar de 1,5 kg a 3 kg Velocidade final robô deve ter capacidade de locomoção através de rodas, devendo se mover no mínimo a 1 metro por minuto até velocidade final de 5 km por hora Deve suportar carga nos braços de 1kg total, podendo ser distribuída em 500g por braço. Deve permitir operação entre as temperaturas de -10c até 45c Deve permitir operação com alimentação interna por 5 minutos sobre operação máxima e 15 minutos em modo estático. Deve permitir acesso remoto através de PDAs, Tablets, Smartphone, Internet ou PC através de aplicações próprias Deve ter autonomia para rodar scripts de forma autônoma. Deve possuir designer característico de android, permitindo fácil identificação. Deve ter meio de expressar de forma clara humor que se deseja apresentar ao equipamento. Deve permitir fácil manutenção de seu conteúdo interno Deve permitir fácil troca de peças e substituições em caso de necessidade. As peças e equipamentos devem ser intercambiáveis, permitindo integração com outros modelos criados. Deve possuir capacidade de integração ou conexão com equipamentos externos tais como tvs, sensores e computadores. Deve conseguir adquirir informações através de visão, usando câmera própria. Deverá emitir sons ou apresentar voz sintetizada. Deve permitir deslocar a câmera para visualizar objetos distintos. Deve permitir algum nível de interação com pessoas

28 29 Deve ter mecanismos para pegar objetos ou move-los de forma fácil Deverá ter mecanismos para propiciar o gerenciamento de uma residência, bem como meios de alertar o usuário caso de acesso a mesma Identificação tipos de Serviço área Mecânica Partes Tabela 6 - Atividades da área mecânica Serviço Área Objetivo Braço Direito Mecânica Desenvolvimento do Braço direito do Robô Braço Mecânica Desenho do Braço Esquerdo do Robô Esquerdo Cabeça Mecânica Desenho da Cabeça do Robô Tronco Mecânica Desenho do tronco do Robô Base Mecânica Desenho da Base do Robô Punho direito Mecânica Desenho do punho direito Punho Mecânica Desenho do punho esquerdo esquerdo Articulação Mecânica Desenho das articulações do Robô

29 Braço Direito e Esquerdo O Braço robótico deve ter as seguintes especificações técnicas. Ter rigidez suficiente para não deformar com carga de 500 gramas de força em seu punho. Ter medida entre 10 a 30 cm de comprimento em sua extensão. Suportar pequenos impactos diretos Resistir a temperaturas de -10 C até 70 C. Ser facilmente acoplável, podendo ser acoplado e desacoplado várias vezes. Ser leve Pode permitir segmentação (articulação) entre duas partes a fim de garantir que consiga pegar objetos mais distantes Cabeça A cabeça do robô deve ter as seguintes especificações técnicas Ter formato similar a uma cabeça humana Possuir dispositivo de câmera acoplada a este Permitir mobilidade para ser direcionada onde haja necessidade Ter proporcionalidade entre relações cabeça-tronco Possuir resistência mecânica leve caso o equipamento sofra pequenas quedas. Permitir ser facilmente acoplada e desacoplada do corpo Permitir integração adequações de projeto ou substituições caso necessite de upgrade de projeto ou mudança de layout. Permitir expressar humor de alguma forma Permitir identificação de fatores externos como distancia de objetos, obstáculos. Permitir armazenar dispositivos eletroeletrônicos em seu interior

30 Tronco O tronco deve possuir as seguintes características: Permitir armazenamento de baterias para uso em ambiente desprovido de alimentação Permitir e sustentar os dispositivos ligados a ele Suportar cargas de 2 vezes o peso do robô Ser facilmente aberto Possuir compartimentação para placas e dispositivos necessários Possuir controle de acionamento Possuir controle de recarga Possuir visor de lcd para status operacional e comunicação Permitir pintura automotiva Possuir dispositivos de leitura de ambiente, tais como sensor de ultrassom, etc Permitir acoplamento de dispositivos USB acoplados externamente

31 Base A base contempla o local onde estão compartimentadas as peças relacionadas ao movimento. São relativos a base as seguintes características: Ter capacidade de locomoção por esteira ou rodas Ter capacidade de suportar o próprio peso e ainda se locomover a velocidade mínima estabelecida em ângulo de aclive de 30 graus, sem cargas em braços Mesmo em ângulo de 15 graus com carga máxima suportar locomover a velocidade mínima. Suportar ângulos frontal e lateral de aclive e declive, sem tombamento para ângulos até 20 graus sem carga e 10 graus com carga. Acomodar dispositivos de locomoção e dar suporte a suas estruturas Punhos Compõem as articulações e as garras. São relativas ao punho as seguintes características: Ter capacidade de sustentar pesos de até 500g por punho Ter capacidade de realizar movimentos de giro e rotações Tem capacidade de ser facilmente substituído Tem capacidade de sofrer melhoria através de upgrades Ter capacidade de oferecer esforço de rotação 10kgfs Ter capacidade de segurar com força de 10kgfs Articulações As articulações são as junções entre todas as peças (componentes) móveis. As articulações de forma geral devem ter as seguintes características: Possuir baixo atrito Suportar esforços de até 500 gramas caso não seja oferecido outra medida Possuir encaixe de fácil manutenção e que permita manutenção e desmonte fácil. Ser quando possível intercambiável entre as articulações e permitir que a mesma possa ser adaptada ou aproveitada. Baixo custo de aquisição Ser constituído de material leve e resistente

32 Outros indicadores do Nível de Serviço Os indicadores de Definição, Negociação e demais são referentes a prestação de serviço entre Clientes e Fornecedores. Apesar de alguns destes indicadores, como os relatórios e a monitoração pudessem ser avaliados para o trabalho que estamos utilizando. Entraríamos em uma área de analise de materiais tanto da área de eletrônica quanto mecânica que foge do objetivo deste trabalho. Desta forma estaremos considerando o gerenciamento de nível de serviço concluído.

33 Custo de Projeto protótipo Produtos adquiridos nos sites de e-comerce ou através de contato direto com fornecedores. Não estão sendo computados aqui refletes valores relacionados a horas trabalhadas ou retrabalhos. Também deve ser relacionado custos relativos a despesas fixas, tais como aluguel, telefone, e infraestrutura. O Custo de Projeto no sentido de apresentar tais despesas fixas, não pode ser apresentado pelo teor da proposta aqui. Como se trata de projeto TCC, os valores e atribuições neste sentido perdem o sentido, devendo ser ignorados. Porem em caso de análise de negócio, tal fator é preponderante para esta análise. O custo de desenvolvimento do protótipo final do robotinics gira em torno de R$5000,00, porem os valores e atualizações monetárias não foram computadas.

34 35 3. Projeto Mecânico O Objetivo do projeto mecânico é estabelecer os processos construtivos do robô no âmbito mecânico. Bem como todos os parâmetros relacionados à suas tolerâncias. 3.1 Proposta mecânica do projeto O designer mecânico sugerido para o robô apresenta formas curvas, por entender que são os formatos mais amplamente utilizados na natureza. A análise e entendimento do projeto construtivo sobre o ponto de vista mecânico foi realizado sobre aspectos prático e experimental. As funcionalidades e recursos mecânicos foram projetos a partir de uma metodologia botton-down, onde resoluções a problemas eletrônicos e mecânicos era base para a composição da solução definitiva. Esta prática tornou possível a composição do protótipo como é hoje. Outros fatores foram preponderantes para a definição das práticas construtivas. Fatores como custo e facilidade de aquisição de equipamentos também foram considerados. Na prática os processos construtivos foram primeiro experimentais. Compondo-se da análise de erros e ajuste dos acertos. Após a composição desta analise se dava o processo de projeto construtivo, já com as definições experimentais já comprovadas. Tomando o projeto na forma assertiva.

35 Prospecção de protótipo construtivo O processo de desenvolvimento dos protótipos visão cumprir e analisar diversas etapas do processo de desenvolvimento. O Robô não é um projeto pronto. As diversas interações e relações entre componentes mecânicos, eletrônicas foram solucionadas durante o ciclo de desenvolvimento dos protótipos. O processo de desenvolvimento foi dividido em dois protótipos. Durante o primeiro ciclo de protótipo, o hardware e componentes mecânicos ainda estavam sendo ajustados. Desta forma, muitas modificações foram resultantes. No segundo protótipo, já as especificações construtivas já foram consolidadas e o projeto seguiu conforme um projeto determinado. Onde foi realizado conforme as especificações do projeto no solidworks. A esta metodologia de experimentação, proporcionou um aprendizado para o desenvolvimento das diversas partes e componentes do robô. Tornando possível que o segundo protótipo seguisse de forma bem mais simples e estruturada.

36 Protótipo 1 O Projeto construtivo do robô foi originário de esferas de isopor. Figura 1 - Exemplo de globo de isopor utilizado Tais esferas eram facilmente encontradas e poderiam ser utilizadas facilmente devido a seu baixo custo aquisitivo e facilidade em esculpir tal material Durante a análise construtiva, foi analisado os seguintes pontos mecânicos Conexões e suporte mecânicos Disponibilidade de recursos Prazo Custo Cronograma Praticidade da construção Continuidade após construção As medidas obtidas neste quadro serviram como referência para os demais protótipos, não se excluindo após finalizado a construção do primeiro protótipo a construção deste elemento.

37 38 Figura 2 - Visão Superior estrutura montada Os elementos mecânicos são reforçados com epóxi para gerar resistência mecânica. A aplicação e pintura dos elementos mecânicos e estruturais foi tão acertada, que algumas peças do primeiro protótipo ainda se mantiveram no segundo protótipo. Vantagens do protótipo manual Baixo custo de desenvolvimento Permite desenvolvimento artesanal do projeto Permite modelagem manual e ajustes dimensionais sem complicação. Baixo peso Relativa tolerância mecânica após aplicação de epóxi Tomada das dimensões e especificações para modelagem mecânica Ajustes e testes de acoplamento mecânico Ajustes e testes de acomodação eletrônica Ajustes e testes de conectores e referências eletromecânicas

38 39 Figura 3 - Visão Pintada da estrutura de isopor com reforço epoxi Desvantagens do protótipo manual Os ajustes demandam remanufatura o que se perde o material já trabalhado Custo de tempo na preparação e confecção das peças, fazendo o tratamento e preparação dos componentes. Todo processo é feito de forma manual, e reativa aos problemas Diversos problemas são encontrados durante o ciclo de desenvolvimento do primeiro protótipo

39 40 Processo de manufatura O processo de manufatura é realizado através do seguinte processo: 1. Os cortes e rasgos na peça são realizados 2. É aplicado um revestimento de cola branca em toda peça, deixando secar 3. São colados as demais peças de isopor, aplicando também cola branca 4. A peça é revestida com massa epóxi tipo durepoxi, sendo modeladas e humedecida com um pouco água. 5. Após seco, é lixado 6. A peça e então pintada com tinta metálica Figura 4 - Corpo Superior em vista Figura 5 - visão lateral do corpo inferior A construção do primeiro protótipo foi o mais cansativo e oneroso, apresentando um maior custo unitário.

40 Muitos retrabalhos e perdas de material foram identificados. Este retrabalho é normal, justamente para consolidação e testes da eficiência do processo construtivo. 41 Visão da base inferior Figura 6 - A estrutura e parafusada sobre base das rodas e motor de tração.

41 3.2.2 Protótipo 2 O objetivo do segundo protótipo é consolidar o projeto construtivo diagnosticados no primeiro protótipo. Neste segundo protótipo já com base em todos os elementos construtivos já consolidados e funcionais, aplica-se as boas práticas de engenharia para execução de todas as estruturas. Para tanto, seguem-se algumas boas práticas. A ferramenta para o desenvolvimento destas estruturas foi o Solidwork. 42 Figura 7 - Visão do projeto em Solidworks Após a construção do protótipo 1 os elementos foram digitalizados e construídos utilizando o Solidworks, todos os itens e medidas foram então preparados para utilização de ferramenta de impressão 3D em plástico ABS. Por definição e custos, algumas peças não foram impressas. As peças mais trabalhosas foram utilizadas a prototipagem rápida para a montagem das peças. O Processo em geral de prototipagem e lento, demorando em torno de 16horas para cada segmento. Ao gerar o modelo no solidworks, se tem a visão da peça como foi projetada. O Modelo então e gravado em arquivo e pasta para serem posteriormente utilizados na prototipagem. Figura 8 - Visão em 3D de projeção no Solidworks

42 Prototipagem Rápida Para geração da prototipagem rápida o modelo do solid é salvo com extensão tipo STL, permitindo assim que a impressora 3D identifique e reconheça o arquivo e suas dimensões. A partir deste momento entra em cena um segundo software que acompanha a impressora. Este programa lê o arquivo STL e contém todos os parâmetros da impressora. O Objetivo deste programa é posicionar e ajustar a peça na impressora. Incluindo os parâmetros de montagem. Figura 9 - Figura apresenta visão do Braço Extensão Ao se posicionar a peça, o próximo passo é imprimir. Ao imprimir a peça, todas as coordenadas posicionais são convertidas em g-code e transmitidas para o equipamento. Figura 10 - Visão da cabeça superior

43 44 A prototipagem apresenta pouco acabamento, e dependendo do formato da peça apresentada, pode sofrer pequena variação. Figura 11 - Peça montada

44 45 4. Elementos mecânicos do Robô Cientistas de hoje substituíram a matemática por experiências, e eles afastam-se, equação depois de cada equação, e eventualmente constroem uma estrutura que não tem nenhuma relação com a realidade. 4.1 Braço Mecânico Superior O Braço mecânico tem como função a sustentação dos componentes eletrônicos e mecânicos adjacentes ao Braço. Possibilitando mobilidade e acoplamento aos demais segmentos estruturais. São elementos conectados ao Braço Mecânico: Fios Placas Parafusos Servo motores Fixação Servo-motor Figura 12 - Braço mecânico Mass = gramas Volume = milímitros cubicos Surface area = milímetros quadrados Diâmetro: 190milimetros

45 Braço Mecânico Extensão Dados técnicos Massa = gramas Volume = milímetros cubicos Superfície Área = milímetros quadrados Diâmetro: 190mm Figura 13 - Visão Lateral da Extensão do Braço Robotinics

46 Chapeu O Chapeu além da função estética apresenta outra função: Proteção Estado Emocional (Luzes) A iluminação no chapéu, aplica luzes demonstrando no robô aspectos emocionais que se deseja passar para o ROBÔ tal como raiva (vermelho), amabilidade (Verde), Irritação ou Atenção (Amarelo). Figura 14- Chapeu Figura 15- Vista lateral O Chapeu tem função de estruturação e estética. Permitindo que alguns dispositivos de iluminação sejam acoplados.

47 Cabeça Superior A cabeça superior tem função de sustentação das funções de fixação das placas e de servos de apoio ao laser. Figura 16 - Cabeça Superior - Rasgo lateral do Laser Figura 17 - Visão Inferior da Cabeça Superior

48 49 A Cabeça superior permite a fixação dos seguintes elementos eletromecânicos. Placa Raspeberry PI Leds verdes (olhos) Dois (2) servo-motores para fixação e movimentação dos lasers. Sensor de gas de metano Cabos e elementos de fixação

49 Cabeça Inferior A cabeça Inferior tem função de comportar diversos componentes. Figura 18 - Cabeça Inferior Figura 19 - Vista Inferior da Cabeça do Robô A cabeça inferior tem por objetivo a fixação de elementos eletro mecânicos, como: Suporte e fixação do pescoço do robô Sensor de proximidade por ultrassom Passagem de fios para controle e alimentação. Fixação de Câmera de Vídeo Características Físicas Densidade = 1.02 gramas por centímetro cubico

50 51 Massa = gramas Volume = centimetros cubicos Surface area = centimetros quadrados 4.6 Corpo Superior O Corpo tem função de sustentação dos braços. Armazenamento de diversas placas e suporte a fiação. Figura 20 - Vista frontal da Base Superior Figura 21 - Base Superior - Vista Lateral

51 Figura 22 Base Superior - Vista Superior 52

52 Conectores Os conectores, como próprio nome diz, faz a ligação entre as peças e os servos motores. Permitindo a flexão do braço e da cabeça. Figura 23 - Conector para servo motor Figura 24 - Segunda Peça de fixação do servo motor

53 Figura 25 - Flexão do Braço 54

54 5. Especificações Mecânicas de esforço dos servos A construção de um braço mecânico exige além do projeto mecânico envolvido no desenvolvimento das estruturas mecânicas em ferramenta de CAD, também o dimensionamento de seus mecanismos de tração e cálculos estruturais. A carga e pesos relativos à própria estrutura podem criar problemas de projeto se não avaliados de forma prática. Neste tópico serão abordados os dimensionamentos dos elementos de carga e tração. Motores, servo motores são elementos de carga e tração. Estes são alimentados por corrente continua, porem a avaliação das características necessárias para que estes cumpram a tarefa de levantar um braço, ou se movimentar pela sala são atribuições mecânicas. Considerando que um braço de robô é apoiado em um único ponto, e este tem como responsabilidade efetivamente gerar um torque em oposição ao torque gerado pela gravidade. 55 Figura 26 - Representação física de um braço e suas forças mecânicas As especificações mecânicas de esforço demonstram os pontos de esforço do projeto mecânico. A gravidade irá atuar no corpo como uma alavanca, fazendo uma força no sentido oposto ao do servo motor. Por contra partida o servo motor, precisa superar esta força para manter ou levantar o braço. O dimensionamento de carga visa realizar o estudo destas forças a fim de identificar pontos onde haverá maior esforço no modelo do braço. Este estudo é importante para avaliar os valores necessários para que o braço cumpra seu objetivo de fato, se mover. Para determinação dos cálculos iniciais, o primeiro passo e a medida e tomada de pesos de todos os componentes mecânicos que são componentes do braço.

55 56 Segue lista de componentes: Figura 27 - Visualização dos segmentos do braço do robô Braço Extensão (L1) peso: 116g Braço Base (L2) peso: 101g 3 x Servo Motor 55g O leitor pode identificar que os servo-motores, estão identificados como blocos em vermelho. E ao identificar que a lista de componentes apresenta apenas 3 servos, pode questionar a exatidão do mesmo. De fato os servos componentes do braço são 4, porem há um fixado ao corpo que movimenta os demais. Totalizando apenas 3 servos sendo tracionados pelo quarto servo. Este quarto servo, não entra na composição do peso, pois esta fixada diretamente ao corpo, não sendo constituinte do braço. Porem ele que sofre maior esforço, pois traciona todos os outros componentes. O dimensionamento de carga dos servos, pode ser pensada como um eixo, onde o elemento mais próximo ao L1 precisam superar maior carga, e os elementos mais próximos a L3, precisam superar menor carga. Para calculo de força resultante, utiliza-se assim a seguinte formula: L1 = 190mm; 116g L2 = 190mm; 101g L3 = 50mm; 70g As medidas de cada segmento foram dadas através de determinação do software Solidworks, para tanto se atribuiu o material constituinte como ABS. Haja vista que os braços são formados de plástico.

56 57 Força L1 = Força de esforço do servo fixado ao corpo Força L1 = (Segmento L1 x massa L1 ) + (Segmento L2 x massa L2) + (Segmento L3 x Massa L3); Força L1 = (19.0 x 0.116) +[ ( ) x 0.101] +[ ( ) x 0.110]; Forca L1 = , ; Forca L1= 9.05kg cm Força L2 = Força de esforço do servo fixado no cotovelo do robô (L2) Força L2 = (Segmento L2 x massa L2) + (Segmento L3 x Massa L3); Forca L2 = Forca L2 = 6.851kg cm Força L3 = (Segmento L3 x Massa L3); Força L3 = 4.73 kg cm; Dados os valores de referencia: Servo MG996R torque 9.40 kg cm Servo Mg995 torque 13 kg cm Desta forma o servo motor indicado é o de 13kg cm para as juntas L1 e L2, e as demais podem ser de de 9.4kg cm. Sendo assim, deve-se aplicar para os pontos L1 e L2 o Servo Motor MG995, pois os valores devem ser superiores a força opositora da gravidade. Quando houver necessidade de carga, ou movimentação de objetos, este deve ser considerado como elemento L4, e também equacionado a formula acima. Para efeitos didáticos, estaremos desconsiderando tal componente.

57 Calculo e dimensionamento de Carga das rodas Nesta etapa iremos avaliar os cálculos necessários para composição dos elementos de tração das rodas. O dimensionamento de carga dirá primeiramente o tipo e número de rodas necessárias para tracionar o robô. Estaremos aqui considerando apenas o movimento de tração em plano, não considerando aclives e declives. Segundo Hugh D. Young, em Energia em Movimento rotacional, Quando você pedalar uma bicicleta, você aplica forças para um corpo em rotação O torque ou momento de força é dado pela formula: T = r. F Onde T é o torque r é o raio do torque aplicado F é a força dada em newtons Figura 28 - Layout da base do robô com 4 rodas motoras Sobre o estudo de tração e analise das forças, devemos então atribuir e determinar: As rodas são motoras, ou seja, cada uma destas apresenta um motor DC, que somadas apresentam o Torque total do motor. Todas as rodas e motores são do mesmo tipo e modelo, apresentando torques semelhantes, desta forma, desprezam-se as eventuais diferenças de torque. Cada roda distribui uniformemente o peso e a tração. Desta forma não apresentando diferença no esforço resultante.

58 59 Para calculo de motores DC, utiliza-se a formula. W = F. D Onde W = Trabalho (Newton metro) F = Força (N) D = distancia (m) Definiu-se através de calculo em CAD (Solidworks) que o peso total do robô, para efeito de calculo é: Massa do robô (m) = 5,587kg Avaliando o gráfico abaixo, verifica-se que quanto menor a velocidade maior o torque do motor. Figura 29 - Gráfico Torque por Velocidade Sendo a relação de Torque e velocidade, representada pela equação: Torque1/ velocidade1 = Torque2/Velocidade2; A esta relação, chama-se potencia ou P. Onde P = Torque / Velocidade ; Sendo o torque dado pela especificação do equipamento 0.8kg cm, utilizando 4 rodas, 3.2 Kg cm. Outro fator a ser considerado é se o motor DC possui caixa de redução, a utilização de caixa de redução aumenta o torque do motor, pois diminui a rotação, permitindo que o motor tracione uma carga mais elevada porem em uma velocidade reduzida, porem obedecendo ao calculo de potencia anteriormente representado.

59 5.2 Calculo de força Arrasto O arrasto de um objeto em deslocação no ar depende da sua massa volúmica, do quadrado da velocidade, da viscosidade e compressibilidade do ar, da forma e da dimensão do corpo, e ainda da sua inclinação face ao fluxo. Em geral é bastante complexo determinar a dependência em relação à forma do corpo, à inclinação, à viscosidade do ar e à sua compressibilidade. 60 (Wikipédia) Figura 30 - Força de arrasto Onde: Fd é a força do arrasto. Cx é o coeficiente de arrasto (uma grandeza sem dimensões determinada experimentalmente) ρ é a massa específica do fluido (Na atmosfera terrestre, e de acordo com a equação barométrica tem o valor de 1,293 kg/m3 a 0 C e 1 atmosfera), v é a velocidade do objecto em relação ao fluido, A é a área de referência. Dado: Cx Usaremos 1, como coeficiente. p = 1,293 V = 5,5kg A = 30cm quadrado; aproximada Desta forma consideramos o valor como 0, kgf

60 Calculo de Força de rolamento Quando um pneu encontra-se submetido a uma força vertical, o pneu deforma-se, e o fruto desta deformação gera-se uma resistência. Sobre esta resistência, conforme demonstrado no trabalho de João Paulo Souza Silva, Aderência Pneu-pavimento em revestimentos asfálticos aeroportuários, o valor resultante deste, depende da força e peso do item, tendo faixa de variação de 2% até 10% do seu peso. Sendo a fórmula corretamente definida como apresentado. Fr = N. (e / r) Fr = Resistencia de Rolamento N = constante de pavimento e = distancia entre o eixo da roda e o centro de pressão r = raio do pneu Porem para efeito prático mantem-se a visão de resistência em torno dos 10%, pensando em compor o pior caso. Logicamente avaliando que este dificilmente ocorreria. Desta forma o Fr = 0.10 * 5,5 = 0.55kgf

61 Calculo de força para aclive O calculo de força para aclive determina o valor a ser considerado para que o robô consiga superar uma rampa com aclive de 10 graus de elevação. A formula para esta é F aclive = m * g * sen ângulo; Onde F inercial = força inercial m = massa do robô g = constante gravitacional 9.8 A força inercial é a composição de força de arrasto + força de rolagem; F aclive 5,5 * 9,8 * sen (10); F aclive = 5,5 * 9,9 * > 9,3Nm; Considerando a força Inercial como 1Nm, ou seja baixa: F aclive = 10.3/ = 1,05kgf Calculo de esforço sobre Força resultante Angulo 10 graus 1.05 kgf 15 graus 1.42 kgf 20 graus 1.88 kgf 25 graus 2.32 kgf 30 graus 2.75 kgf 35 graus 3.14 kgf 40 graus 3.53 kgf 45 graus 3.88 kgf

62 5.5 Calculo de Forças de Esforço de arrasto O Calculo de Esforço de Arrasto, no caso de robô rolamentado, leva-se em consideração os dois cálculos anteriores. 63 Calculo de aclive = 1,05kgf Calculo de força de rolamento = 0,55 kgf Calculo de Arrasto = 0, kgf Totalizando 1,65kgf, considerando que o robô deverá vencer além da força de arrasto, a força de rolamento e a força de aclive, quando o mesmo estiver em uma rampa.

63 Calculo de Torque Para calculo de torque devemos considerar os seguintes itens: Considerando o Motor FK-180SH em 6V, o torque dado é 2.05 Nm Considerando quatro rodas com trações iguais, Desta forma calcularemos o valor de tração em kgf, para tanto utilizaremos a formula. 1kgf = Nm Potencia: Figura 31 - Figura demonstrando o esforço de arrasto Torque total = Torque Ref * Nro -> Tt = 2.05 * 4 => 8.20Nm Torque em kgf -> 8.2/ > kgf de tração em 6v de tensão Com este torque não seria possível vencer Conforme indicação nosso motor tem condição de trabalhar até 12v, desta forma por definição da tabela, o torque associado é 8.04 por motor. Aplicando a mesma lógica: Torque total = 8.04 * 4 => 32.16N ou Torque em kgf -> / => 3.23 Kgf em 12v de tensão. Os parâmetros de torque aplicados a tensão de 12v para este motor são dados em consideração a eixo arvore do motor. Considerando-se a força total a ser vencida de 1.65kgf e a força resultante em 5v, 0.83kgf é incompatível com tal esforço, faz-se a opção pela tensão de 12v. Que gera sobra para vencer aclive de 35 graus, conforme tabela de aclive.

64 5.7 Força de atrito A força de atrito é a força que cria a aderência da superfície com a sua roda. Permitindo que o robô se desloque. A força de atrito é utilizada para calcular o coeficiente de frenagem em relação à roda, bem como aceleração. (Wikipédia) 65 Quando criamos uma tração superior ao coeficiente de atrito a roda patina. Para calculo: Utilizamos para tanto a seguinte formula. P = m. n P = força de atrito m = massa do objeto n = constante de atrito Figura 32 - Visão da roda sobre o piso de atrito é 0.8 (vide tabela de atrito - anexo) Para superfícies como asfalto o coeficiente Definição: Massa do robô (m) 5,587kg Constante de atrito (n) 0,8 em movimento. Aplicando este na formula, temos: P = 5,5. 0,8 = 4,4kgf A força de atrito deve ser utilizada, para determinar se a potencia da à roda não é superior a capacidade da mesma de transformar em movimento. Se for maior o que se espera é que a roda gire em falso. Outro uso para esta função é para calculo de frenagem. Com estes cálculos, pode-se determinar o trato de qualquer robô.

65 66 6. Estrutura final mecânica Figura 33 - Estrutura montada dos braços Características Físicas Massa = Kg. Volume = ,20 milímetros cúbicos Superfície = ,94 milímetros quadrados A estrutura mecânica final do robô gerado todos os arquivos no solidworks ficou como contemplado. Alguns itens não foram impressos, devido ao elevado custo final do projeto. Porem houve um reaproveitamento das estruturas mecânicas do protótipo anterior, com ajustes estruturais, com compostos similares aos utilizados no ABS, tal qual Epoxi.

66 67 7. Projeto Eletrônico O projeto eletrônico apresenta as características relacionadas ao projeto das peças e componentes eletrônicos utilizados no robô. 7.1 Alimentação Todo projeto eletrônico necessita de alimentação elétrica. A energia é crucial para o funcionamento, a qualidade da alimentação. Veremos agora um diagrama macro de funcionamento do quadro elétrico da integração da alimentação e da bateria. Figura 34 - diagrama elétrico O esquema demonstra como se apresenta a macro visão da distribuição elétrica do robô. O projeto possui dois fornecimentos elétricos. Bateria de 12v e capacidade superior a 20Ah Chave seletora que permite a seleção do elemento fornecedor de energia. Chave liga e desliga, permite as operações de ligação.

67 A apresentação esquemática do quadro elétrico é uma visão geral, não detalhando os elementos. 68 Figura 35 - Diagrama de bloco do quadro eletrônico

68 7.2 Carga de Bateria Para carga da bateria utilizamos um regulador de tensão e corrente, onde conseguimos regular a corrente fornecida para a bateria. 69 Para calculo da corrente fornecida pelo regulador utilizamos a seguinte formula: I = It / 10, onde : I É a corrente que se deseja limitar It Corrente total 10 quantidade de horas para carga máxima. Desta forma para calcular a corrente máxima fornecida pelo regulador, usamos a seguinte fórmula. It = 20A conforme especificação da bateria Sendo assim, I = 20 / 10 -> 2 Ah. Para calculo de tensão, utilizamos a seguinte especificação: A tensão normal da bateria é dada 11,0 volts, se considerarmos 1,5 volts de perda por resistência interna da bateria, podemos considerar que a tensão da bateria é de 12.5v. Por definição, consideramos carga lenta quando elevamos a tensão até o ponto de tensão da bateria. E quando consideramos 10% a mais da tensão nominal, consideramos carga rápida. Para proteção da bateria, utilizamos carga lenta, pois a carga lenta não danifica a bateria.

69 Carregador de Bateria Para recarga da bateria é necessário primeiramente realizar os cálculos do tópico anterior. Após entender a tensão que deve ser aplicada e a corrente fornecida, é hora de tornar isso prático. Uma forma muito simples é através da aquisição de um step down. O step down fornece uma regulagem de tensão, não obstante, também no modelo XL4005 a regulagem de corrente. Especificações Técnicas Figura 36 - Step down XL4005 Tensão de entrada: 5v até 32 volts Tensão de Saída 0.8v até 30 volts Corrente de saída: 5A Máximo Eficiência: acima de 95% Ripple de saída: <50mV Frequência de chaveamento: 300kHz Regulagem de voltagem: ±0.5% Regulagem de voltagem: ±2.5% Temperatura de operação: -40 C to +85 C Dimensões: 51mm L x 26mm W x 14mm H O uso do componente é bem simples. Existem dois reguladores (trimpots) que fazem o ajuste da corrente e voltagem respectivamente. 1. Fixe a tensão de entrada no borne descrito Input. 2. Use um multímetro, primeiramente fixado com regulagem de tensão. Coloque as pontas de prova no borne Output.

70 3. Com uma chave de fenda fina, aos poucos gire o trimpot e veja se a tensão se modifica. Acerte até que a tensão seja a desejada, conforme o calculo anterior. 4. Agora, retire as pontas de prova do multímetro e regule o mesmo para corrente, recolocando no borne. 5. Gire o outro trimpot, devagar até chegar nos níveis de corrente que pretende. 6. Após regular tanto corrente, como tensão, inclua o cabo de saída que irá para a bateria. 71 Figura 37 - Diagrama de conexão do carregador de bateria O importante do carregador de energia, que não adianta, o step down estar alimentado, se o relê não estiver aberto. A tensão e corrente do step down está avaliado para operação de carga em bateria em repouso, ou seja, não alimentando o sistema do robô. Por isso a importância do relê aberto. O sensor de tensão acompanha a carga da bateria até que as tensões de operação sejam obtidas.

71 Processador Raspberry PI O Raspberry PI é uma plataforma Open Source e de baixo custo. Figura 38 - Foto do Raspberry PI - Rev. B Amplamente utilizada para o desenvolvimento de aplicações de baixo consumo elétrico e embarcada. Entre as características desta plataforma, estão: Baixo custo de aquisição Sistema Operacional Linux Opcional na instalação Processador BCM2835 Permite Incluir SO por Cartão SD Tamanho reduzido de um cartão de crédito 2 Portas USB Porta RJ45 (Ethernet) Barramento GPIO (General Propose IO) Barramento I2C Grande gama de aplicações e ferramentas de desenvolvimento Compatível com LINUX e Android Permite a conexão com LCD por display interface port (DSI) Permite a conexão Câmera port (CSI-2) Porta HDMI e Vídeo Composto Porta MicroUSB para carga de firmware Saída de Audio analógico 2 canais. Barramento SPI Tensão de Alimentação 5V Consumo médio do modelo B 0,7Ah até 1Ah Modelo B - 512MB of SDRAM DDR2

72 73 Fabricante:

73 Microcontrolador - Arduino MEGA O Arduino é uma placa Open Hardware, controlada por processadores da ATMEL. Figura 39- Pinout do arduino mega O Arduino Mega é um processador de 32bits com capacidade de memória e pinagem superior aos demais arduinos. Entre as vantagens desta plataforma estão: Ampla aceitação no mercado Diversas arquiteturas Plataforma consolidada no mercado com baixo custo de aquisição Ambiente de desenvolvimento amigável e de fácil instalação Amplo conjunto de recursos de hardware (Shields)

74 Características Microcontroller ATmega2560 Operating Voltage 5V Input Voltage (recommended) 7-12V Input Voltage (limits) 6-20V Digital I/O Pins 54 (of which 15 provide PWM output) Analog Input Pins 16 DC Current per I/O Pin 40 ma DC Current for 3.3V Pin 50 ma Flash Memory 256 KB of which 8 KB used by bootloader SRAM 8 KB EEPROM 4 KB Clock Speed 16 MHz Fabricante: Arduino Site: Figura 40 - Visão Real do Componente

75 Shield Expansão Arduino Sensor Shield Figura 41 - Placa de expansão Sensor Shied O pacote arduino possui uma placa (Shield) que permite separar as conexões já permitindo que todo o conector seja previamente preparado com alimentação. Figura 42 - Pinagem do arduino A vantagem estratégica desta shield é a economia de tempo na confecção de placa especifica, pois esta já prepara os barramentos para os servo motores.

76 77

77 Pinout de ligação do arduino Shield O Pinout é a tabela de pinos endereçados para os dispositivos Pin Descrição 06 pincabeca Pino de controle do servo motor da cabeça eixo X 07 pincabeca2 Pino de controle do servo motor da cabeça eixo Y 24 pinlaserx Pino de controle do servo motor Laser X 13 pinlasery Pino de controle do servo motor Laser Y 44 pinbdireito Pino de controle do servo motor braço direito 08 pinmdireita Pino de controle do servo motor mão direita 09 pinbesquerdo Pino de controle do servo motor braço esquerdo 4 Pincotovelodireito pino de controle do servo do cotovelo 5 Pincotoveloesquerdo pino de controle do servo do cotovelo esquerdo 10 pingarraesq Pino de controle servo motor garra esquerda 11 pingarradir Pino de controle servo motor garra direita 46 pinpesquerdo pino de controle servo motor garra Esquerda 45 pinpdireito pino de controle servo motor garra Direita A6 pinvoltagem pino de leitura analógica para leitura da voltagem A4 analogingas pino de leitura do sensor de gas A15 analogoutgas pino analógico para controle led sensor de gas A0 analogincorr pino de leitura sensor de corrente 17 PIN0_RFRX Pino de Radio Frequencia 433 RX 16 PIN0-RFTX Pino de radio frequência 433 TX 2 PIN0_TRIGGER sensor ultrassom trigger 3 PIN0_Echo sensor ultrassom echo 40 Pin0_trigger1 sensor ultrassom trigger 1 35 Pin0_echo1 sensor ultrassom echo 38 Arduio2TX Porta Serial virtual TX 37 Arduino2RX Porta Serial Virtual RX 26 ENA Sensor ponte H 28 IN1 Sensor Ponte H 30 IN2 Sensor Ponte H 32 IN4 Sensor Ponte H 34 IN3 Sensor Ponte H 36 ENB Sensor Ponte H I2C Sensor LCD A10 RF 433 Controle Remoto D0 A9 RF 433 Controle Remoto D1 A8 RF 433 Controle Remoto D2 A7 RF 433 Controle Remoto D3 33 Relê Bateria 18 TX bluetooth 19 RX bluetooth 39 Laser do robotinics 22 Olho direito 23 Olho esquerdo

78 79 A3 Acelerômetro x A2 Acelerometro y A1 Acelerometro z 46 Led cabeça red 47 Led cabeça green 48 Led cabeça blue

79 Placa de Controle dos Motores DC De forma geral este componente utiliza o CI 2 L298N. A Shield de Controle de Motor DC fornece chaveamento das polaridades (ponte H) e fornecimento de carga elétrica dos motores DC de 12v. Vantagens Inversão das polaridades do motor nas saídas dos motores DC 9V Proteção e isolação entre as portas digitais e tensões de alimentação 12v Controlador dos motores L298N (ponte h) Chave Seletora A (ENA) Chave Seletora B (ENB) Portas Seletoras de Sentido (IN1, IN2, IN3, IN4) Saída de MOTOR DC1 Saída de MOTOR DC2 Desvantagem Não permite ajuste de velocidade Figura 43 - Imagem dos pinos da placa 2 CI Referência a Circuito Integrado

80 81 Esquemático de ligações Figura 44 - Ilustração da ligação elétrica no arduino Exemplo de software arduino #define CW 2 #define CCW 3 #define ENA 8 #define ENB 13 #define black 2 // In1 #define brown 3 // In2 #define orange 4 // In3 #define yellow 5 // In4 void setup() DDRB = 0x3f; // Digital pins 8-13 output PORTB = 0x00; // all outputs Dp8-13 set to off pinmode(cw, INPUT); pinmode(ccw, INPUT); digitalwrite(cw, 1); // pullup on digitalwrite(ccw,1); // pullup on void loop() if (!digitalread(cw)) forward(480, 0); if (!digitalread(ccw)) reverse(480, 0);

81 82 // end loop void reverse(int i, int j) // Pin 8 Enable A Pin 13 Enable B on digitalwrite(ena, HIGH); digitalwrite(enb, HIGH); j = j + 10; while (1) digitalwrite(black, 0); digitalwrite(brown, 1); digitalwrite(orange, 1); digitalwrite(yellow, 0); delay(j); i--; if (i < 1) break; digitalwrite(black, 0); digitalwrite(brown, 1); digitalwrite(orange, 0); digitalwrite(yellow, 1); delay(j); i--; if (i < 1) break; digitalwrite(black, 1); digitalwrite(brown, 0); digitalwrite(orange, 0); digitalwrite(yellow, 1); delay(j); i--; if (i < 1) break; digitalwrite(black, 1); digitalwrite(brown, 0); digitalwrite(orange, 1); digitalwrite(yellow, 0); delay(j); i--; if (i < 1) break; // all outputs to stepper off

82 83 digitalwrite(ena, LOW); digitalwrite(enb, LOW); // end reverse() void forward(int i, int j) // Pin 8 Enable A Pin 13 Enable B on digitalwrite(ena, HIGH); digitalwrite(enb, HIGH); j = j + 10; while (1) digitalwrite(black, 1); digitalwrite(brown, 0); digitalwrite(orange, 1); digitalwrite(yellow, 0); delay(j); i--; if (i < 1) break; digitalwrite(black, 1); digitalwrite(brown, 0); digitalwrite(orange, 0); digitalwrite(yellow, 1); delay(j); i--; if (i < 1) break; digitalwrite(black, 0); digitalwrite(brown, 1); digitalwrite(orange, 0); digitalwrite(yellow, 1); delay(j); i--; if (i < 1) break; digitalwrite(black, 0); digitalwrite(brown, 1); digitalwrite(orange, 1); digitalwrite(yellow, 0); delay(j); i--; if (i < 1) break;

83 84 // all outputs to stepper off digitalwrite(ena, LOW); digitalwrite(enb, LOW); // end forward() Tabela de Funcionamento dos pinos IN1 IN2 IN3 IN4 SELA SELB DC1 DC Nota: A notação +-, referece ao posicionamento dos polos com relação ao motor, onde -+, representa a inversão deste.

84 7.10 Criação de Placas de circuito impresso A criação de placas de circuito impresso no robotinics foi desenvolvido pelo processo de dry film. 85 Figura 45 - película de Dry film Este processo consiste em uma película foto sensível que permite a montagem de uma mascara plástica onde a trilha não será não poderá ser atacada. Para tanto é necessário criar um espelho da trilha que se pretende utilizar na forma da imagem negativa das trilhas. Aplicando luz incandescente de 100watts diretamente sobre a trilha é possível sensibilizar o film que fixa sobre a placa cobreada. O objetivo deste trabalho não é apresentar detalhes deste método, porem apenas apresentar a solução utilizada. Detalhes sobre este método pode ser obtidos em diversos fóruns na internet. Para montagem das placas foi utilizado o software pcb wizzard.

85 7.11 Placa de Controle dos Servos Motores A placa de controle dos servos motores tem por responsabilidade o fornecimento elétrico e sinais PWM 3 do servo-motores. Esta placa será utilizada no robô para ser ligada aos servos motores. Serão necessários 3 placas para controlar o robô. Cada placa deve ser conectada em um lado do robô, e a terceira no pescoço ou abaixo do pescoço. 86 Figura 46 - Visão do Layout Lista de Componentes 3 x Barra de pinos de 6 pinos 1 x conector DB9 1 borne 3 PWM - A modulação por largura de pulso (MLP) - mais conhecida pela sigla em inglês PWM (Pulse- Width Modulation) - de um sinal ou em fontes de alimentação envolve a modulação de sua razão cíclica (duty cycle) para transportar qualquer informação sobre um canal de comunicação ou controlar o valor da alimentação entregue à carga (wikipédia)

86 Placa controladora de led A placa controladora de led fornece conexão elétrica para os leds do robô. Os leds operam em especificações diferentes que a maioria dos outros componentes do robô. Os leds queimam quando ficando em correntes superiores a 0,3A, devendo então ser limitado pelo uso de resistores. Para calculo do valor de resistor utiliza-se a formula: V = R.I, onde: V é a tensão aplicada, no nosso caso V= 5 Volts R= Resistencia desejada, ou que se pretende utilizar. I= Corrente suportada pelo LED, a corrente de operação. A tabela abaixo apresenta calculo de corrente: Figura 47 - Tabela de Corrente de leds Figura 48 - Visão da placa

87 88 Figura 49 - Visão das trilhas Lista de Componentes 8 x resistores 300ohms 1 x barra de pinos de 8 pinos 1x barra de pinos de 16 pinos 1 borne Figura 50 - visão de ligação com arduino

88 7.13 Placa de Distribuição de 12V A placa de distribuição de 12v fornece energia na tensão de 12v a todos os equipamentos. O SIL1 é o componente que recebe a entrada de tensão proveniente da fonte. SIL2 e SIL3 são os conectores de distribuição de energia para os componentes. 89 Figura 51 - Layout da placa de distribuição Figura 52 - Visão das trilhas

89 Placa de Distribuição de 5V A placa de distribuição de 5v permite que através de uma única entrada 5V de alimentação forneça várias portas de saída para alimentar diversos dispositivos. A placa apenas distribui o quadro elétrico. Figura 53 - Layout da placa O SIL1 é o componente que recebe a entrada de tensão proveniente do retificador 5v. SIL2 e SIL3 são os conectores de distribuição de energia para os componentes. Figura 54 - Visão das trilhas

90 7.15 Regulador 5v A alimentação padrão do sistema primário do robô é 12v DC, porem parte do sistema elétrico é alimentado por 5v. A esta necessidade faz-se necessário o uso de um sistema de regulagem para 5 volts. São características requeridas neste sistema: Regulagem de tensões 12volts, porem com tolerância de 14volts até 7volts Fornecimento mínimo de corrente de 2ª Capacidade de filtrar ruídos na tensão, eventualmente gerados pelos motores e outros dispositivos. Capacidade de manter tensão minimizando rippler de tensão 4 O Conversor de 12v de entrada para 5v garante um fornecimento estável de 5v para todos os equipamentos. 91 Entre os equipamentos que utilizam 5v estão: Raspberry PI Servo motores Leds Shields do Arduino e sensores 7.16 Regulador de Tensão 5v O regulador de tensão usado é o turnigy SBEC 26V, conforme a foto abaixo. Figura 55 - Componente de regulagem de tensão Tipo: Switching Proteção de entrada: Proteção contra inversão de polaridade 4 Ripple de tensão - Tipicamente a tensão de ripple na eletrônica é um valor residual e periódico obtido de uma fonte de tensão que, por sua vez, é alimentada por uma de uma corrente alternada. Este ripple é derivado da incompleta supressão da onda alternada no interior da fonte de tensão. (Wikipédia)

91 92 Saída (constante): 5v/5A ou 6v/5ª Entrada: 8v-26v (lipo 2 7cell) Peso: 18g

92 Como funciona um servo motor O servo motor nada mais é que um motor DC acoplado a um potenciômetro. O motor ao girar, também movimenta o potenciometro. Que por sua vez gera uma mudança na resistência que é medido por um CI que interpreta a variação da resistência, criando uma identificação resistência x posição. O CI do servo motor associa a resistência Figura 56 - Visão de perfil de um servomotor medida a um sinal PWM. O PWM é a tradução de Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso. O arduino tem a capacidade de gerar sinal PWM, mas não em todos as portas, mas em portas especificas. Figura 57 - Exemplo de Sinal PWM Quanto maior o sinal PWM, maior será a largura de t1. O arduino Mega fornece 15 portas PWM: Digital 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 Digital 44,45,46 O servo motor de forma geral ou podem ser 180 graus de rotação ou 360 graus de rotação. Os mais comuns são os de meia volta ou 180 graus.

93 Servo Tower Pro Mg995 Digi Hi-speed - 15kg O servo motor tem função de movimentar as estruturas mecânicas como braços e garras. Especificação Técnica Servo Tower Pro MG995 Digi Hi-Speed Figura 58- Servo motor de 15kg Engrenagens: metal Peso: 55g Medidas: 40x20x43mm Velocidade 0.13s e Peso 55g Torque 13kg-cm 4,8v / 15kg-cm 6,0v Velocidade: 0,17seg 4,8v / 0,13seg 6,0v Voltagem: 6v Roletado O Servo motor opera com tensões de 5v no robô, apresentando giro de 180 graus. O servo motor opera com sinal PWM, sendo gerido pelo arduino em uma das portas PWM 5 existentes. Todo servo motor tem 3 fios, as cores podem variar de modelo para modelo, porem os modelos utilizados, as cores são: Marron GND Vermelho 5V Laranja - PWM 5 A modulação por largura de pulso (MLP) - mais conhecida pela sigla em inglês PWM (Pulse-Width Modulation) - de um sinal ou emfontes de alimentação envolve a modulação de sua razão cíclica (duty cycle) para transportar qualquer informação sobre um canal de comunicação ou controlar o valor da alimentação entregue à carga.

94 Tower Pro MG996R Digital Metal Servo O servo motor MG996R é um servo motor com capacidade de torque de 10kgf, Tower Pro MG996R Digital Metal Servo Figura 59 - Servo motor de 10kg Especificações técnicas Modulação PWM: Torque: Velocidade: Analógica 4.8V: oz-in (9.40 kg-cm) 6.0V: oz-in (11.00 kg-cm) 4.8V: 0.17 sec/60 6.0V: 0.14 sec/60 Weight: 1.94 oz (55.0 g) Dimensão: Motor Type: Tipo Engrenagens: Suporte Rotação: de A Comprimento: 1.60 in (40.6 mm) Largura: 0.78 in (19.8 mm) Altura: 1.69 in (42.9 mm) Massa: 55g? (add) Metal Dual Bearings

95 7.20 LCD 16x2 I2C O LCD 16x2 apresenta entre as vantagens baixo consumo elétrico e ótimo custo benefício. O Padrão I2C 6 permite o acoplamento de múltiplos dispositivos através de um único barramento, modificando apenas o endereço de comunicação. A comunicação através do I2C se dá por dois fios, diminuindo em muito a passagem e trilhas e circuitos. O controlador I2C é soldado diretamente ao LCD reduzindo o custo e facilitando o processo construtivo. 96 Figura 60 - Visão do LCD 16x2 Figura 61 - Visão da Traseira do LCD I2C Figura 62 - esquema elétrico do arduino com LCD Exemplo de I2C com arduino 6 I²C (Inter-Integrated Circuit) é um barramento serial barramento multi-mestre desenvolvido pela Philips que é usado para conectar periféricos de baixa velocidade a uma placa mãe, a um sistema embarcado ou a um telefone celular. (wikipédia)

96 A biblioteca LiquidCrystal_I2C.h é responsável por fornecer as funções para permitir a comunicação com o LCD, sem esta biblioteca o uso do dispositivo no arduino fica mais dificultoso. O download desta biblioteca pode ser conseguido pelo link abaixo: https://github.com/fdebrabander/arduino-liquidcrystal-i2c-library 97 O exemplo abaixo demonstra o uso da biblioteca LiquidCrystal_I2C.h, que permite a comunicação com o arduino. #include <Wire.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> #define BACKLIGHT_PIN 13 LiquidCrystal_I2C lcd(0x20); // Set the LCD I2C address void setup() // Switch on the backlight pinmode ( BACKLIGHT_PIN, OUTPUT ); digitalwrite ( BACKLIGHT_PIN, HIGH ); lcd.begin(16,4); // initialize the lcd lcd.home (); // go home lcd.print("hello, ARDUINO "); lcd.setcursor ( 0, 1 ); // go to the next line lcd.print (" FORUM - fm "); void loop()

97 Sensor de Tensão O sensor de tensão, como o próprio nome diz, lê a tensão aplicada no equipamento Especificações técnicas Figura 63 - Sensor de tensão Faixa de Leitura : DC0-25 V Resolução de leitura : V Figura 64 - Esquemático de Ligação com Arduino

98 99 Programa Exemplo #include <Wire.h> int val11; int val2; void setup() pinmode(led1,output); Serial.begin(9600); Serial.println("Emartee.Com"); Serial.println("Voltage: "); Serial.print("V"); void loop() float temp; val11=analogread(1); temp=val11/4.092; val11=(int)temp;// val2=((val11%100)/10); Serial.println(val2); delay(1000); Onde é o usado o sensor de tensão O sensor de tensão é usado para leitura das tensões da bateria. O robô, quando alimentado por bateria tem alimentação de trabalho de 11,5v, quando a tensão cai para 10 volts ou menos a bateria precisa ser recarregada. O sensor de voltagem tem a função de identificar quando a carga da bateria esta no fim.

99 Sensor de Corrente O Sensor de Corrente lê a corrente consumida pelo robô convertendo em valores digitais. Estes valores são indicados por amostragem e calculados o consumo médio do robô e o tempo estimado das baterias. Figura 65 - Esquema elétrico do sensor de corrente Exemplo de uso deste componente float samplesnum = 1000; float adc_zero = 510; //relative digital zero of the arudino input from ACS712 long currentacc = 0; long currentac = 0; long adc_raw = 0; long currentad = 0; void setup() Serial.begin(9600); void loop() for(int i=0; i<samplesnum; i++) adc_raw = analogread(0); currentacc += (adc_raw - adc_zero) * (adc_raw - adc_zero); //rms currentad = (currentacc * )/ 1024; //D to A conversion currentac = sqrt(currentad)/samplesnum; //rms Serial.println(currentac); fonte:

100 TowerPro SG90 - Micro Servo O servo motor Tower Pro é utilizado apenas para operar o laser do robotinics, são utilizados dois servos para movimentação do laser nos eixos X e Y. Figura 66 - Imagem do servo motor SG90 Informação Básica Modulação Torque: Velocidade: Weight: Dimensões: Tipo de motor: Tipo de Carcaça: Rotation/Support: Analógico 4.8V: 25.0 oz-in (1.80 kgcm) 4.8V: 0.10 sec/ oz (9.0 g) Length: 0.91 in (23.1 mm) Width: 0.48 in (12.2 mm) Height: 1.14 in (29.0 mm) 3-polos Plastico Bushing

101 Bluetooth O módulo bluetooth apresenta a possibilidade de integração entre diversos equipamentos compatíveis, tais como Características: Figura 67 - Visão das conexões Bluetooth Permite enviar e receber dados TTL através da tecnologia Bluetooth Funciona com qualquer adaptador Bluetooth USB Taxa de transmissão padrão: 9600,8,1, N Antena embutida na placa Cobertura de sinal: ~10m Especificações: Especificação Bluetooth v2.0 + EDR Protocolo USB: USB v1.1/2.0 Frequência: banda de 2.4GHz ISM Modulação: GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) Potência de transmissão: não mais do que 4dBm, Classe 2 Sensibilidade: não superior a -84dBm 0,1% BER Taxa de dados: Assíncrono: 2.1Mbps (Max) / 160 kbps - Síncrono: 1Mbps/1Mbps Recursos de segurança: autenticação e criptografia Perfis suportados: Bluetooth Serial Port (slave) Alimentação: 5VDC / 50mA Temperatura de trabalho: -5 C a 45 C Taxa máxima de transmissão serial: bps Tamanho: 2,7 centímetros x 1,3 centímetros Configurável via comandos AT Configuração padrão: 9600bps/senha 1234 Comprimento do cabo: 21.5cm Dimensões: 4.3 * 1.6 * 0,7cm Peso: 3g Blue tooth Hc06 Fonte:

102 103

103 Relê O relê permite o chaveamento da bateria, caso a mesma esteja com pouca carga. Desta forma se a mesma estiver com pouca carga e a alimentação externa estiver ligada, o rele desliga a alimentação da bateria, permitindo que o robô seja carregado. Figura 68 Conexões elétricas do relê Figura 69 - visão de um relê para arduino A ligação elétrica no arduino é muito simples, são 3 pinos: GND negativo 5V Sinal Quando o processador envia um sinal para o pino o rele aciona.

104 Elementos de tração Os elementos de tração proporcionam a capacidade de locomoção do robô. Projetos de robôs terrestres podem ser construídos sobre diversas formas, as principais são bípedes quando se movimentam sobre duas pernas, quadrupedes quando se movimentam sobre 4 pernas, hexápode quando se movimenta por 6 pernas e por fim robôs de 4 e duas rodas. O projeto do Robotinics é construído sobre 4 rodas. Vantagens Facilidade na construção do protótipo Diminuição do custo final do projeto Menor número de partes eletro mecânicas Desvantagens Dificuldade em transitar por terrenos com desníveis Menor estabilidade em ambientes sinuosos A estrutura das rodas é formada por três partes. 1. Motor DC 2. Caixa de Redução 3. Roda

105 Rodas Tem função de locomoção e sustentação, realizando trabalho de rolagem no terreno. Sua constituição é plástica, onde apresenta parte em borracha preta para sustentação e aderência ao solo, e parte em elemento plástico de alta densidade Caixa de Redução A caixa de redução proporciona uma diminuição do giro (RPM) do motor DC, e em consequência maior torque sobre a roda. A relação de torque e giro é dada sobre a função: Figura 70 - Calculo de potencia Considerando, que a potencia liberada (P1) pelo motor é igual a potencia fornecida pela roda (P2), assumisse que P1 e P2 são iguais. Desta forma assume-se a formula Torque1 x Rotacao1 = Torque2 x Rotação2

106 107 Figura 71 - Layout da Caixa de redução Especificações técnicas 65 6V - sem carga 6V - sem carga Consumo de 170mA máx com carga máx de 0,800kg cm Roda rodas AREXX 28mm

107 Motor O motor converte energia elétrica em movimento, criando potencia de giro para que as rodas possam deslocar-se. A escolha de um motor é feita baseada no calculo de carga do robô. Para tanto se leva em consideração fatores como: Figura 72 - Motor DC Velocidade final do robô Carga a ser movida Tipo de Tensão fornecida ao motor (DC ou AC) Tensão fornecida, ex: 12v ou 5v Os cálculos associados a esta pergunta encontram-se no tópico 5.6 Calculo de Torque. A escolha do motor DC é óbvia devido ao uso desta fonte de energia tanto na alimentação externa, quanto por uso da bateria. A tensão aplicada poderia ser utilizada duas opções pré-existentes 5v ou 12v, porem conforme tópico já mencionado foi selecionado o de 12v. A tabela de parâmetros foi útil para encontrar o modelo que mais se adequa ao item selecionado.

108 109 Parâmetros técnicos - DC Micro Motor FK/FF-180SH Modelo FF- 180PH FF- 180PH FF- 180SH FF- 180SH FF- 180SH FF- 180SH FK- 180SH Voltagem Campo de Operação Nomin al Sem carga Veloci dade Corrent e Máxima eficiência Veloci dade Corrent e Torque Potenci a forneci da Ponto de Parada Torque r/min A r/min A g.cm mn.m W g.cm mn.m A V V V V V V Corrent e V

109 7.27 Diodo Laser O diodo laser permite a criação de efeitos visuais no robô, através de controle de servos. 110 Figura 73 - Diodo laser vermelho Especificações : Classe do laser : Comprimento de onda : Força : Voltagem : Corrente de operação : Temp. operação : Material : Divergência : Tamanho : Diâmetro : comprimento dos fios : II o IIIa 650nm 1 o 3mW 3V DC 50mA -10C a +40 C Metal <2.0 mrd 17 mm 6 mm 100mm Figura 74 - especificações mecânicas do laser Atenção: Esse laser emite radiação que pode ser danosa aos olhos. Não olhe diretamente dentro da abertura do laser. A visualização direta dos raios do laser em uma distância muito próxima pode causar danos à vista Calculo do resistor para laser: Sabendo que será alimentado por 5v, onde a corrente máxima será 0.005A V = R. I -> 5 = R. 0,005 -> 1000ohms ou 1k.

110 GPS O GPS ou Global Positioning System Sistema de Posicionamento Global, é uma ferramenta muito útil na localização e posicionamento. Muito útil para drones e outros tipos de robôs o sistema permite que o robô seja localizado em qualquer lugar do planeta. Utilizaremos o modelo GT-320R por mera disponibilidade Figura 75 Descrição do conector do GPS GT-320R Especificações Técnicas Receiver Type 48 parallel channels, L1 C/A code Precisão de posicionamento 2.5m CEP (DGPS) Velocidade de identificação 0.1m/sec Inicio de operação < 2sec hot start < 31sec warm start < 32sec cold start Sensibilidade na aquisição -146 dbm -160 dbm tracking Update Rate 1Hz Dynamics 4G (39.2m/sec2) Altitude de operação < 18,000m ou velocidade < 515m/s Interface Serial e TTL Protocolo NMEA-0183 V3.01 NMEA Message: GPGGA, GPGLL, GPGSA, GPGSV, GPRMC,GPVTG,GPZDA

111 112 Baud Rate: 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, (GPGLL,GPZDA is off and GPGSV message is output every 5 second under 4800 bps.) Standard: NMEA output message: GPRMC, GPGGA, GPGSA, GPGSV Baud rate: 4800, 8 N 1 Input Voltage 2.7V ~6V Consumo em operação < 100mW (3.3V) Dimensões 34 mm L x 34 mm W x 8.6 mm H Peso: 14g Temperatura de Operação -20oC ~ +60oC Humidade de Operação 5% ~ 95% Figura 76 exemplo de conexão com Arduino e GPS Protocolo de comunicação do GPS O GPS transmite as informações de posicionamento através de comandos NMEA. O NMEA ou National Marine Electronics Association desenvolveu uma especificação que define a interface entre diversos equipamentos eletrônicos marinhos. A norma permite eletrônicos marinhos para enviar informações para os computadores e outros equipamentos marítimos. Uma cópia completa desta norma está disponível para compra em seu Web site. Nenhuma das informações contidas neste site vem de este padrão e eu não tenho uma cópia. Qualquer tentativa de projetar qualquer coisa com esta norma deve obter uma cópia oficial. Comunicação receptor GPS é definido dentro dessa especificação. A maioria dos programas de computador que fornecem informações sobre a posição em tempo real compreendem e esperam dados de estar no formato NMEA. Estes dados incluem a solução PVT completa (posição, velocidade, tempo) calculado pelo receptor de GPS. A idéia de NMEA é enviar uma linha de dados chamado uma frase que é totalmente autocontido e independente de outras sentenças. Existem frases padrão para cada categoria de dispositivo e há também a capacidade de definir frases proprietários para uso pela empresa individual. Todas as frases padrão têm um prefixo de duas letras que

112 113 define o dispositivo que usa esse tipo de sentença. (Para os receptores GPS o prefixo é GP.), Que é seguido por uma sequência de três letras que define os conteúdos de frases. Além NMEA permite fabricantes de hardware para definir suas próprias sentenças proprietárias para qualquer fim que entenderem. Todas as frases de propriedade começam com a letra P e são seguidos com três letras que identifica o fabricante controlar essa frase. Por exemplo, uma sentença Garmin começaria com PGRM e Magellan começaria com GNPM. Cada frase começa com um '$' e termina com uma seqüência CR / alimentador de linha e não pode mais do que 80 caracteres de texto visível (mais os terminadores de linha) ser. Os dados estão contidos dentro dessa linha única com itens de dados separados por vírgulas. Os dados em si é apenas texto ASCII e pode estender-se ao longo de várias frases em certos casos especiais, mas normalmente é totalmente contido em uma sentença de comprimento variável. Os dados podem variar na quantidade de precisão contida na mensagem. Por exemplo o tempo pode ser indicado para decimal partes de um segundo ou localização pode ser show com 3 ou até 4 dígitos depois do ponto decimal. Programas que lêem os dados só deve usar as vírgulas para determinar os limites do campo e não depender de posições coluna.existe uma disposição para uma soma de verificação no final de cada período, que pode ou não pode ser verificada pela unidade que lê os dados. O campo checksum é composto por um "*" e dois dígitos hexadecimais que representam um 8 bit OU exclusivo de todos os caracteres entre, mas não incluindo, o '$' e '*'. A soma de verificação é necessária em algumas frases. Houve várias mudanças no padrão, mas para gps usar os únicos que são susceptíveis de serem encontradas são 1,5 e 2,0 por 2,3. Estes apenas especificar algumas configurações diferentes frases que podem ser peculiar às necessidades de um determinado dispositivo, portanto, os GPS pode necessitar de ser alterada para coincidir com os dispositivos que estão sendo interligados para. Alguns gps da fornecem a capacidade configurar um costume definir as penas, enquanto outros podem oferecer um conjunto de opções fixas. Muitos receptores GPS de saída simplesmente um conjunto fixo de frases que não pode ser alterado pelo utilizador. A versão atual do padrão é Eu não tenho nenhuma informação específica sobre esta versão, mas eu não tenho conhecimento de quaisquer produtos GPS que exigem a conformidade com esta versão.

113 Comandos NMEA Nome NMEA 2.0 Garmin Magellan Lowrance SiRF Notas: GPAPB N Y Y N Auto Pilot B GPBOD Y N N N rolamento, origem ao destino - anteriores G-12 de não transmitir esta GPGGA Y Y Y Y corrigir dados GPGLL Y Y Y Y Lat dados / Lon - anteriores G-12 de não transmitem esta GPGSA Y Y Y Y dados de recepção via satélite globais, faltando em alguns modelos Garmin GPGSV Y Y Y Y dados de satélite detalhadas, faltando em alguns modelos Garmin GPRMB Y Y Y N mínimo recomendado de dados durante um percurso GPRMC Y Y Y Y dados mínimos recomendados GPRTE Y U U N encaminhar os dados, apenas quando existe um trajecto activo. (Isso às vezes é bidirecional) GPWPL Y Y U N dados do waypoint, apenas quando há uma rota ativa (isso às vezes é bidirecional) GPS e Arduino O Arduino possui uma biblioteca própria para entender e ler os padrões NMEA. A TinyGPS é projetado para fornecer a maior parte da funcionalidade GPS NMEA tais como: Posição Data Hora Altitude Velocidade Rumo

114 Sensor de Fumaça O Sensor de fumaça e gás é uma ferramenta útil para o Robô perceber o ambiente ao seu redor. O sensoriamento de gás permite que o mesmo identifique por exemplo riscos eminentes no ambiente. O Sensor utilizado é o FC-22 Figura 77 - Ilustração do FC Características técnicas Modelo: FC-22-1 Alcance: 10 ~ 1000ppm Sinal TTL- Com ligue o sinal de saída (TTL) A saída de sinal analógico Sinal de saída TTL eficaz para nível baixo Tensão de saída analógica: 0 ~ 5V, a concentração mais elevada, maior a tensão Alta sensibilidade para a detecção de gases nocivos Tamanho do produto: 32mm (L) x 20mm (W) x 22mm (H) Tensão de funcionamento: 5V Tipo de Gases monóxido de carbono, gás, carvão, gás natural, fumaça e outros gases. Peso: 0,25 g (7 g) Figura 78 - Pinout do FC-22

115 116 Exemplo de uso: int heater = 6; int sense = 4; void setup() Serial.begin(9600); pinmode(heater, OUTPUT); pinmode(sense, INPUT); digitalwrite(heater, HIGH); // Heater on Serial.println("Purge started..."); for(int i = 60; i > 0; i--) // Purge for 60 seconds Serial.println(i); delay(1000); Serial.println("Purge completed..."); Serial.println("Sensing..."); for(int i = 0; i <= 90; i++) // Read for 90 seconds Serial.print(i, DEC); // This code may be repeated if(digitalread(sense) == 1) Serial.print(" ALARM"); Serial.println(""); delay(1000); Serial.println("Sense complete..."); void loop() // Empty loop

116 LCD Touch Screen Touch screen A tela permite a visualização das informações passadas na CPU, criando uma fácil e rápida visualização entre o usuário e o ambiente. A Tela também permite gerenciar as opções do robô através de controles touch screen. Figura 79 - Monitor LCD touch screen A escolha da tela ou não é uma questão de projeto. No caso do robotinics, a interface foi escolhida sobre dois aspectos: 1. Facilidade em interação, inclusive desenvolvimento 2. Melhora visual no projeto A partir do momento que se determinou que se construa o robô com uma tela touch (terminal) acoplado ao robô, a próxima escolha é quanto as determinação do modelo de terminal. Foram parâmetros determinísticos para seleção do modelo: Capacidade touchscreen Compatibilidade com Linux Conector RCA e HDMI Ser destinado a embarcados, apresentando apenas as placas e circuitos. Ter níveis de tensão de alimentação coerentes com projeto (5v até 12v) A escolha desta placa foi acertada, pois apresenta todas as características desejadas.

117 Elementos do Terminal O terminal é constituído de 3 partes: 1. Placa controladora do LCD 2. LCD 3. Controlador Touch Screen USB Estaremos descrevendo apenas a placa controladora, pois os demais componentes são satélites a esta placa e desta forma são facilmente entendidos Placa Controladora do LCD Gerencia as funções da tela, permitindo e fornecendo todos os recursos necessários para a ligação e visualização das imagens no LCD. Sem a placa controladora do LCD não é possível a gestão do mesmo. A placa possui diversos recursos abordados na ilustração abaixo: Figura 80 - Diagrama da placa controladora LCD Descrição dos itens LCD 7 polegadas, resolução 800*480 Entradas HDMI, VGA, 2 AV Controller Board VS-TY2662-V1 5 botões de funções Película touch screen Controlador touch screen usb Controle remoto

118 Software O Software é a parte do projeto que visa garantir a programação e interação da ferramenta. O software interage e comanda o hardware definindo o que e quando fizer as ações. O software é a parte do sistema robótico que interage com a mecânica e a eletrônica, proporcionando as ações necessárias e esperadas para o produto. Figura 81 - Diagrama de bloco do robô Sem o software o equipamento não atenderia nem reagiria a comandos externos. Para um desenvolvimento do projeto de software iremos documentar cada um dos componentes deste software atribuindo além de responsabilidade, também identificando comportamentos e funções esperadas. Para tanto iremos dividir o projeto do Software em 3 grandes grupos.

119 120 Figura 82 - Diagrama de Blocos dos softwares 1. Firmware É o software embarcado ao hardware Arduino 2. Programas Embarcados São o conjunto de aplicativos que são incluídos no Raspberry PI Linux 3. Programas Gerenciais São o conjunto de aplicativos instalados ou disponíveis fora do robô, que visa controlar ou operar o mesmo remotamente.

120 Firmware Em eletrônica e computação, firmware é o conjunto de instruções operacionais programadas diretamente no hardware de um equipamento eletrônico. (Wikipédia) O arduino utiliza uma RAD própria, o firmware do arduino é desenvolvido utilizando linguagem C. Figura 83 - fluxo de start do arduino O Firmware é constituído de dois grandes conjuntos de funções SETUP LOOP O Setup é responsável pelo start do equipamento e é chamado toda a vez que o sistema é ligado O Loop é a função responsável pela chamada das funções durante o ciclo de utilização do equipamento.

121 Bloco de start do Arduino Funções chamadas pelo Arduino para inicialização do robô: StartSerial(); StartArduino(); StartBluetooth(); Start_lcd(); Start_GPS(); Start_Cabeca(); Start_BDireito(); Start_MDireita(); Start_BEsquerdo(); Start_GARRAESQ(); Start_MEsquerdo(); StartMotor(); Start_acel(); StartGas(); StartWelcomme(); Inicializa a serial do arduino Inicializa porta serial de comunicação ttl com dispositivo externo Inicializa módulo bluetooth Inicia dispositivo LCD Inicia dispositivo GPS Inicia dispositivo servomotor Cabeça Inicia dispositivo servomotor Braço Direito Inicia dispositivo servomotor Mão Direita Inicia dispositivo servomotor Braço Esquerdo Inicia dispositivo servomotor Garra Inicia dispositivo servomotor Mão Esquerda Inicia dispositivo controlador ponte H motor Inicia dispositivo Acelerômetro Inicia dispositivo sensor de Gás Mostra mensagem de boas vindas

122 Leituras loop Setup Fluxo do bloco Loop O fluxo de execução da rotina loop é responsável pela execução das rotinas de repetição, que irão definir o ciclo de execução cíclica. Bloco de Funcionamento Arduino Fase Start_Serial StartArduino Start_Bluetooth Start_lcd Start_GPS Start_Cabeca Start_BDireito Start_Gas Start_acel StartMotor Start_PEsquerdo Start_GarraEsq Start_BEsquerdo Start_MDireita Wellcome Leituras Le_Ultrassom Le_Ultrassom1 Le_Arduino Le_Bluetooth Le_Serial Carrega_gas Carrega_corr fmargem Carrega_RC Carrega_acel Figura 84 - Fluxograma de Execução detalhado le_ultrassom le_ultrassom1 le_bluetooth le_serial carrega_gas carrega acel carrega_rc fmargem controla as informações lidas do ultrassom da base frente controla as informações lidas do ultrassom da base traseira le informação do modulo bluetooth le informação da serial le informação do módulo de sensor de gás le informação do acelerômetro lê informações do modulo de rádio frequência faz a verificação se os limites de tolerância de distância foram ultrapassados, caso as rodas estejam em movimento, cancela a movimentação da mesma.

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