Engenharia Mecatrônica TCC/2015

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1 Engenharia Mecatrônica TCC/2015 DESENVOLVIMENTO DE UM KIT DIDÁTICO DE ROBÓTICA MÓVEL UTILIZANDO A PLATAFORMA ARDUINO Aluno: Hugo Rafael Palma Vieira de Almeida Orientador: PhD. Kelen C. Teixeira Vivaldini Centro Universitário de Araraquara (UNIARA) Área: Robótica Subárea: Programação de microcontroladores e controle de servomotores Resumo: Este projeto teve como objetivo o desenvolvimento de um kit que permite construir um robô móvel, além de permitir a sua personalização e que possa ser utilizados no contexto educacional no qual a ênfase está em sua utilização como instrumento didático de ensino. A importância na utilização da robótica no ensino decorre da possibilidade de que ela, além de ser um elemento atrativo, proporciona a popularização da tecnologia aos estudantes. Serão abordados os principais conceitos sobre a robótica, por meio de uma apresentação didática voltada para estudantes no tema e que possa ser utilizado por qualquer usuário iniciante na área de robótica. Estes conceitos relacionados a Robótica Inteligente envolvem a introdução sobre os conhecimentos teóricos e a prática com o uso de dispositivos eletrônicos e mecânicos (do tipo de sensores e motores), e de dispositivos computacionais programáveis (do tipo de microcontroladores, como por exemplo o Arduino). A partir deste kit poderá ser desenvolvida a adaptação para diversos níveis de aprendizado. Iniciando com o funcionamento básico dos sensores (infravermelho, seguidor de linhas e sonar) e atuadores (motores), até a aplicação do robô (Robô Explorador, etc). Desta forma, para desenvolvimento do trabalho as seguintes etapas foram realizadas: estrutura mecânica, hardware, funcionamento dos sensores e atuadores, e desenvolvimento de práticas de programação e montagem de nível básico, intermédio e avançado. Como resultado do estudo, pretende-se que estes kit possa ser utilizado para melhorar o conhecimento na área de eletrônica, hardware e software. Palavras-chave: Kit Didático. Robótica educacional. Robô de seis patas. Arduino.

2 1. INTRODUÇÃO No atual modelo de convivência social, a tecnologia deve estar sempre acessível e deve permitir às pessoas novas experiências, novas descobertas e novas formas de aprender. No entanto, a fim de que a população e, em particular, estudantes possam usufruir das ferramentas tecnológicas existentes, é necessário que o processo educativo inclua práticas tecnológicas em seu contexto educacional. Na busca por ambientes de aprendizagem mais ricos e inovadores, a robótica educacional se destaca por mostrar, na prática, conceitos teóricos e por desenvolver competências como raciocínio lógico, investigação e resolução de problemas (Miranda, 2010). A robótica educacional incentiva a criação e exploração de ambientes interativos para o processo de ensino e aprendizagem no estudo das diversas disciplinas, unindo a robótica e a educação, através da multidisciplinaridade da robótica, que é capaz de envolver temáticas relacionada a ela, como mecânica, eletrônica e computação, entre outras áreas não relacionadas tais como matemática, ciências, línguas, ciências sociais (Fernandes, 2013). Desta forma, a robótica educacional ensina o aluno através da investigação, estimulando a criatividade, no desenvolvimento de um método científico, através do erro construtivo, estímulo da lógica, aprimoramento da motricidade, ente outros (Zili, 2004). Umas das metodologias adequadas para o desenvolvimento de aulas de robótica educacional em sala de aula é através de oficinas de robótica, nas quais os alunos seguem um conjunto de passos: análise do desafio, montagem do protótipo robótico e programação do robô. O desafio proposto pode envolver assuntos relacionados a grade curricular, desde as disciplinas básicas de Introdução as Técnicas de Programação e Circuitos Eletrônicos, até as disciplinas avançadas de Sistemas Embarcados e Microprocessados e Robótica. E como resultado desta aplicação, obtemos o retorno positivo do aluno que valida os conhecimentos obtidos na prática. Importante ressaltar que algumas limitações restringem a inserção de robótica educacional, pois o acesso aos kits de robótica no Brasil é dificultado devido à relação entre recursos e custos, pois os kits importados são, em sua maioria, mais caros, enquanto que os nacionais apresentam limitações de hardware e software (Miranda, 2010; Fernandes, 2013). 2. PROJETO DO KIT DIDÁTICO O kit proposto neste trabalho teve como finalidade o desenvolvimento do raciocínio lógico e o desenvolvimento acadêmico sobre a área de robótica. Este kit tem uma configuração inicial de uso, mas é possível a alteração e inclusão de diversos componentes a fim de possibilitar uma experiência de aprendizado rica e didática. Na configuração inicial será disponibilizado um modelo mecânico baseado na configuração de patas (Figura 1) para sua movimentação, e um sensor sonar capaz de medir a distância de objetos para que o mesmo possa desviar de obstáculos. A configuração de patas foi inspirada no modelo Crawler Kit For Boe Bot (PARALLAX, 2004) e escolhido devido à facilidade de montagem, o custo baixo e o efeito visual que este proporciona, visando estimular o interesse de estudantes de diversas faixas etárias na área de robótica. 2

3 Figura 1 - Estrutura Mecânica Fonte: Próprio Autor A Figura 1 demonstra em modelagem 3D toda a estrutura montada e a disposição corretas das patas para conseguir um movimento uniforme que faça com que o robô seja capaz de se movimentar. Figura 2 - Exemplo de robôs possíveis com o kit didático Fonte: Adaptado de Boe Bot por Parallax O desenvolvimento do kit foi dividido em quatro etapas. Na primeira etapa apresenta-se a estrutura mecânica e são explicadas as escolhas realizadas para definição das peças e de qual forma utilizá-las. Na segunda etapa apresenta-se o hardware utilizado, bem como as possíveis substituições para outro tipo de microcontrolador ou microprocessador utilizado. Na terceira etapa, os atuadores e sensores escolhidos para a configuração inicial e exemplos de diversas modificações que podem ser realizadas são apresentadas. E na quarta etapa são apresentados os resultados obtidos no desenvolvimento do kit proposto e exemplificada a lógica de programação adotada. 3

4 2.1. Estrutura Mecânica Para a montagem é necessário verificar a escolha do tipo de robô a ser montado. Como se pode observar, o Chassi (Fig. 3A) pode ser adaptado para a utilização de robô com patas ou com rodas. Os demais desenhos do kit exemplifica o uso do chassi para a montagem de um robô com patas (Fig. 3 B à E). Figura 3 - Estrutura Mecânica : (a) Chassi, (b) Lateral robô com patas, (c) Pata 4 furos, (d) Pata de ligação e (e) Pata do meio - Fonte: Próprio autor A estrutura mecânica do robô proposto para o kit didático é baseada no movimento de uma aranha, utilizam-se seis patas para chegar ao movimento desejado. A grande diferença desta estrutura está no fato de somente as patas do meio serem atuadas, utilizando apenas um motor de cada lado do robô, dois motores no projeto todo, para conseguir um movimento completo de rastejar (do inglês craw). Os desenhos técnicos em CAD estão disponíveis para download [ As peças da estrutura podem ser confeccionadas em uma impressora 3D ou em metal, ambos os materiais são facilmente encontrados no mercado e por preços acessíveis. Caso queira utilizar o robô com rodas simplesmente remova a lateral e as patas deixando somente o servomotor que é instalado diretamente no chassi (Figura 3) e instale as rodas nos respectivos servos de cada lado do chassi. Também será necessário um acoplamento esférico na parte frontal para o equilíbrio, conforme mostrado na Figura 2 (Robô com rodas). 4

5 2.2. Hardware Figura 4 - Posição do servo contínuo Fonte: Próprio Autor Para este kit didático optamos por utilizar a plataforma Arduino UNO (Atmega328p, Tab. 1), pois a finalidade do kit didático é estimular o interesse a área de robótica de desenvolver o raciocínio lógico necessário. O Arduino é uma das plataformas mais simples e com maior documentação disponível dentre todos os microcontroladores e plataformas disponíveis no mercado (Arduino, 2013). É possível a substituição por qualquer outra plataforma do mercado e por qualquer outro microcontrolador que possua as mesmas especificações, porém o código e o diagrama elétrico disponíveis nesse kit não irão funcionar e terão que ser adaptados. Microcontrolador ATmega328P Tensão de operação 5V Tensão de Alimentação 7-12V Lim. da tensão de alimentação 6-20V Entradas/Saídas Digitais 14 (da qual 6 são saídas PWM) Entrada/Saída Digitais PWM 6 Entradas analógicas 6 Corrente contínua por pino 20 ma Corrente contínua pino 3.3v 50 ma Memória flash 32 KB (ATmega328P) SRAM 2 KB (ATmega328P) EEPROM 1 KB (ATmega328P) Freq. De Clock 16 MHz Largura 68.6 mm Altura 53.4 mm Peso 25 g Tabela 1 - Especificações Arduino Uno. Fonte: Atmel Para substituir o hardware utilizado será necessário observar os requisitos mínimos necessários para o projeto apresentado na Tab. 1. As especificações em negrito precisam ser iguais ou superiores, exceto a tensão de operação (Operating Voltage) que precisa ser exatamente 5V. 5

6 Para o projeto apresentado com patas e sensor ultrassônico de distância utilizam-se somente três saídas PWM, uma saída digital e uma entrada digital Arduino É uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de placa única, projetada com um microcontrolador Atmel AVR com suporte de entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão baseada na estrutura C/C++ (ARDUINO, 2015). A placa de desenvolvimento Arduino é o hardware do nosso projeto, o Arduino permite que códigos de computador na linguagem C++ se transformem em comandos no mundo da eletrônica. Ela interpreta os sinais dos sensores e decide a ação executada baseada na programação que é inserida. Figura 5 - Placa arduino UNO Fonte: Arduino.cc 2.3 Atuadores e Sensores A programação disponível neste kit didático é para a construção de um robô que desvia de obstáculos, medindo a distância em várias direções e decidindo qual é a melhor rota a ser tomada. Para isso foi utilizado: Um sensor de distância ultrassônico modelo HC - SR04 Dois motores do tipo servo de rotação continua modelo SM - S4303R Um motor micro servo modelo SG 90 6

7 2.3.1 HC - SR04 Figura 6 - Sensor ultrassônico genérico HC Este sensor funciona emitindo uma onda ultrassônica de um lado e medindo quanto tempo a onda demora a retornar no outro, o tempo de resposta nos dará a distância da barreira SM - S4303R O servo de rotação contínua diferente de um servo comum não permite controle do ângulo do movimento, ele é modificado para que seja possível ajustar apenas a velocidade da rotação. Neste projeto será utilizado para movimentar as patas do robô, recebendo apenas o comando para girar para um lado ou para o outro. Figura 7 - Servo de rotação contínua S4303R Fonte: Pololu SG90 O servo SG90 é um servo clássico com seu giro restrito a 180, ele nos permite controlar quantos graus exatamente você deseja executar em um giro, escolhendo valor de 0 (posição inicial) até 180 (posição final). Figura 8 - Servo SG90 Neste projeto será responsável por controlar a direção do sensor ultrassônico. 7

8 2.4 Software O programa foi desenvolvido utilizando a Arduino Software IDE (Integrated Development Environment), plataforma de código aberto do arduino que facilita programar e enviar o código à placa. A plataforma escrita em Java é compatível com os sistemas operacionais Windows, Mac OSX e Linux. O código foi escrito na linguagem arduino que é baseada na estrutura C/C++ e tem a finalidade de fazer com que o robô se movimente livremente em um ambiente sem que atinja nenhum obstáculo, após a programação na IDE o código é então transferido a placa via porta USB. 3. MONTAGEM 3.1 Diagrama Montagem Arduino Figura 9 - Esquema de montagem Fonte: Próprio Autor 8

9 Para alimentar o robô utiliza-se duas baterias 9v em paralelo e alimente o Arduino com o cabo para baterias 9v que acompanha a placa. Pino Arduino Fio correspondente Objetivo PWM 9 Pulso do servo direito Saída para controlar o motor do lado direito PWM 3 Pulso do servo esquerdo Saída para controlar o motor do lado esquerdo PWM 6 Pulso do servo do sensor Saída para controlar o motor que movimenta o sensor sonar Digital 4 Trigger HC-SR04 Envia sinal ao sensor sonar Digital 5 Echo HC-SR04 Recebe o sinal do sensor sonar Tabela 2 - Pinos utilizados no arduino Fonte: Próprio autor Obs.: O sensor ultrassônico HC - SR04 possui nomenclatura em cada um de seus pinos, facilitando identifica-los. 3.2 Mecânica 1. Conforme a Figura 3 os servos contínuos (S4303R) foram fixados diretamente no chassi de forma que o eixo de rotação esteja mais próximo da parte da frente do robô (Frente do robô conforme Figura 10). 2. A lateral foi alinhada e fixada com parafusos e porcas 2mm, para fixação da lateral foi utilizado somente os furos em azul conforme Figura As patas foram colocadas conforme ilustrado na Figura 1, para a fixação foi utilizado parafusos 2mm, arruelas e buchas de metal lisa rosqueada. 4. Os processosde fixação das laterais e das pastas são idênticos para os dois lados do robô. Figura 10 - Alinhamento lateral Fonte: Próprio Autor 9

10 4. RESULTADOS 4.1 Movimentação Utilizando o mecanismo de barras obteve-se sucesso para a movimentação das seis patas somente com dois motores. O motor aciona somente a pata do meio que transfere o movimento as outras patas de acordo com o clico da rotação em que o mesmo se encontra. Figura 11 - Movimento das patas Fonte: Próprio autor Para movimentar o robô em todas as direções segue-se a seguinte lógica: Movimento para frente: motores direito e esquerdo giram para frente. Movimento para trás: motores direito e esquerdo para trás. Movimento para esquerda: motor esquerdo gira para frente e direito gira para trás. Movimento para direita: motor direito gira para frente e esquerdo gira para trás. 4.2 Desvio de Obstáculos A partir do desenvolvimento da programação para a movimentação das patas, adiconamos a inteligência para que o robô fosse capaz de executar um percurso com objetos à sua frente sem colidir escolhendo a melhor rota para desvio. Para isso, como detalhado anteriormente foi utilizado um sensor sonar e acoplado a ele um moto para efetuar a movimentação do mesmo a fim de verifica qual dos lados o robô poderia se movimentar. Figura 12 - Protótipo 10

11 E ALMEIDA, H.R.P.V. Desenvolvimento de um kit didático de robótica móvel utilizando a plataforma Fonte: Próprio Autor Figura 13 - Sequência de imagens do percurso executado pelo robô Fonte: Próprio Autor Quadros: 1. Robô se movimenta em direção aos obstáculos. 2. Perante há um objeto logo à sua frente o robô para. 3. O servo (SG90) que controla o sensor sonar gira pra direita e mede a distância do objeto. 4. Servo gira pra esquerda e mede a distância, durante a medição o robô percebe um caminho livre. 5. Ele segue o caminho. 6. Continua a rota sem colidir. 4.3 Lógica de programação A Figura 14 exibe um fluxograma que foi a base do código escrito para dar vida ao robô, o código completo está disponível no link [ junto com os arquivos CAD e desenhos técnicos necessários, também é possível tirar dúvidas pelo site caso queira construir o kit didático. 11

12 Figura 14 - Fluxograma da lógica de programação Fonte: Próprio autor 12

13 5. CONCLUSÃO Conseguiu-se construir e programar um robô acessível por menos de R$ 300,00 que pode ser utilizado como plataforma didática em universidades e cursos profissionalizantes de forma a fixar o aprendizado teórico sobre robótica ou até mesmo em escolas de ensino-médio para o desenvolvimento do racíocinio lógico do aluno. A proposta foi bem sucedida, o robô foi capaz de executar um percurso com objetos à sua frente sem colidir escolhendo a melhor rota para desvio. As possibilidades de alterações são infinitas, como por exemplo, é possível substituir as patas por rodas utilizando o mesmo servo motor proposto para obter um movimento mais ágil e preciso (Figura 2). Também é possível incluir diversos outros sensores como: sensor de cor, sensor de temperatura, sensor de humidade, sensor infravermelho. Ou até mesmo construir garras mecânicas e acoplar ao kit para movimentação de peças, o desenho do chassi do kit possui diversos furos e lugares onde é possível a inclusão de novas partes mecânicas. 6. REFERÊNCIAS Arduino, what is it? Disponível em: < Acesso em: 12 de agosto Crawler Kit for the Boe-Bot Robot (#30055). Disponível em: < Documentation-v2.0.pdf>. Acesso em: 12 de agosto FERNANDES, C. (2013). S-EDUC: Um simulador de ambiente de robótica educacional em plataforma virtual. Dissertação de mestrado. Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, Natal - RN. MIRANDA, L. C., Fábio F. Sampaio & José Antonio S. Borges (2010), Robofácil: Especificação e implementação de um kit de robótica para a realidade educacional brasileira, Revista Brasileira de Informática na Educação 18(3). ZILI, S. (2004). A robótica educacional no ensino fundamental? Perspectivas e práticas. Dissertação de mestrado. Universidade Federal de Santa Catarina UFSC, Florianópolis SC. 13