O PROJETO

Este projeto apresenta  uma   plataforma   robótica   para educação   denominada “EduBOT”     para        auxiliar          no          ensino           de           mecatrônica,     que engloba     componentes     de      Hardware      (mecânica e eletrônica)  e   software  (programação).    A    iniciativa      tem    como    meta    o   baixo      custo   e        a      utilização   da   metareciclagem para incentivar a criatividade sustentável   na era digital.

O robô proposto   é móvel, autônomo   e   opera   em   ambientes   desconhecidos. Juntamente   com   a   descrição    dos    elementos   mecânicos,  eletromecânicos   e      computacionais   do   projeto   encontram-se     os     esquemáticos     para     o funcionamento  do   protótipo. Um algoritmo   faz   a identificação de  obstáculos para verificar    se      executa   ou   não   manobras   evasivas,   evitando a  colisão. O     projeto     é     aberto   e   seus   arquivos podem ser baixados. Para  conhecer   mais     sobre       o      trabalho   navegue     e   fique à   vontade!     Para   Dúvidas   e criticas mande um E-mail.

PS:  Todas   as   imagens   do   blog    podem   ser   visualizadas   em   tamanho  real “clicando” sobre as mesmas.

VÍDEO 1:  em um minuto e 10 segundo (1:10),  o vídeo abaixo mostra o robô EDUBOT se deslocando e fazendo manobras evasivas.

VÍDEO 2: ROBOTDROID, estudantes do IFS (Instituto Federal de Sergipe) utilizaram EDUBOT no auxílio para seus estudos para o projeto de um robô móvel utilizando Android. Ian Oliveira e Iraildo da Costa Carvalho;

FOTOS DAS PLATAFORMAS EduBOT:

INICIATIVA

A  ideia do projeto surgiu de estudos realizados sobre programação, robótica    e placa   Arduino. Sendo mais   tarde   desenvolvido como um  trabalho curricular      para   disciplina  de    Arquitetura     de   computadores  II   do curso de     Ciência      da     Computação.      O    trabalho     teve      continuidade       com      apoio      dos       professores      do     Departamento       de     Engenharias          e  Ciência  da     Computação        da      Universidade           Regional        Integrada       do   Alto   Uruguai      e   das   Missões,    URI    Campus   Santo   Ângelo – RS.

Alunos responsáveis pela pesquisa e projeto: Versão 1.0 – EduBOT.

Carlos Solon Soares Guimarães Jr . E-mail: carlos.solon@ufrgs.br/juniorsolon@yahoo.com.br

Henrique Parcianello  Maurer. E-mail: henrique.parcianello.maurer@gmail.com

Artigo do Trabalho: http://www.santoangelo.uri.br/stin/Stin/trabalhos/12.pdf

Regulamentos do Torneio: http://www.santoangelo.uri.br/sri2011/wp-content/uploads/2011/09/Regras_torneio_robotica_2011_2.pdf

Reportagem do Torneio, 04/out: http://wp.clicrbs.com.br/santoangelo/tag/uri/page/2/

INTRODUÇÃO

A pesquisa em robótica tem diversas linhas   de   atuação,  no  qual a navegação e detecção de obstáculos têm sido  focadas   na  última década. Diversas aplicações são projetadas, como sistemas robóticos educacionais com objetivos específicos criados a partir da metareciclagem de lixo computacional por exemplo.

A metareciclagem é uma  rede  auto-organizada  que  propõe     a  desconstrução da tecnologia   para       transformação       social.    À  medida    que  a   tecnologia   avança sistemas         eletrônicos          de           computação         precisam            ser substituídos por equipamentos mais sofisticados, fazendo com que os velhos se tornem    obsoletos   sendo necessário o   seu    descarte (figura 01).

  Figura 01. Impressoras abertas para coleta das partes mecânicas e eletromecânicas.

Equipamentos      como   impressoras      possuem   materiais    pesados    que    são prejudiciais       a        natureza.        O       principal    objetivo foi   a     utilização     da metareciclagem      de       componentes    de  impressoras inutilizadas no ambiente acadêmico    para   coletar  componentes   mecânicos  e    eletromecânicos (figura 02)     para criação   de   uma   plataforma     robótica educacional de baixo  custo. Tanto   o   hardware   como  o  software tem  utilizam soluções open-source.

Figura 02. Componentes retirados da impressora: Rodas, motor DC, Engrenagem e eixo de suporte.

ELEMENTOS MECÂNICOS

Aqui   são   descritos os itens referentes  a   construção   da estrutura do robô, sua parte   mecânica,  desenho do projeto até    a   sua    montagem    (motores, chassi, carenagem,  rodas,  entre outros). Para quem quiser, outra opção     é    comprar plataformas prontas com motores e engrenagens adaptados e pular para parte eletrônica e programação;

Plataforma de suporte chassi

Download: Chassi: AutoCad 14

É   a    plataforma base para a fixação dos equipamentos que   constituem   o robô como os motores. O projeto do chassi do robô foi planejado   a   fim   de   reduzir   o   tempo   na    construção.   A     ferramenta     AutoCAD    14     foi utilizada para   automatizar  a   fase   de   projeto   de  chassi, desde o molde  da   base,   colocação de   parafusos,   mapeamento    do   lugar   de     motores,   rodas   e   bateria.

Depois der ter a parte do chassi    o próximo    passo   é    montar     estrutura     de cima  do robô.  O     diâmetro     do     chassi     é     de   23 cm,   a parte de   cima    é de  13 cm    e    é   ligado    ao   chassi     com   três  tubos    de alumínio  que    foram cortados   com   comprimento   de   6 cm cada,     parafusos grandes  com      8 cm passam por    dentro    do tubo,    duas ruelas    e   uma porca são     usados    em    cada   parafuso para  dar    mais estabilidade, para  uma     melhor   visualização   foi   desenhado   a    parte     estrutural do robô no aplicativo SolidWorks.

Figura 03. Sesenho da estrutura mecânica no SolidWork

Material      utilizado     para    o   chassi e a estrutura de cima:     madeira      fina   de   3 mm     tipo    MDF   e   tubos   leves      de     alumínio        com parafusos,    porcas     e   ruelas.    O    corte     foi     feito    passando   o   arquivo do AutoCAD 14 para uma fresadora a laser (figura 03).

Figura 04. Chassi com corte a laser

Rodas de tração

O robô é dotado de duas rodas    de   tração, totalmente independentes    uma das outras. As rodas responsáveis por dar  tração e torque são controladas     através dos motores e são as mesmas utilizadas    em   rolos    que     puxam  papel de uma impressora a jato de tinta comum.

Caracteristicas:
Para a composição de um robô, o tamanho das rodas  é  um  fator interessante de projeto. Com rodas grandes temos:   movimentos   rápidos, menos   torque    para transportar carga  pesada e controle   de   posição   difícil; Com   rodas   pequenas temos: movimentos   mais  lentos e fácil posicionamento. A baixo a figura mostra as    características  e   dimensões   da roda utilizadas   neste   trabalho   retirandas   de impressoras velhas (figura 05).

Figura 05. Rodas de tração

Roda de apoio

A roda de apoio está acoplada por um pino na traseira da plataforma de suporte, dando   auxilio    necessário    na     mudança    de   direção do robô. Por ser leve e possibilitar    movimentos    giratórios   rápidos,   estas  compõem suas principais características. A figura abaixo apresenta a roda de apoio utilizada   no    robô. A roda foi encontrada em lojas de materiais mecânicos (figura 06).

Figura 06. Roda de apoio

As engrenagens

São do   tipo   cilindricas   retas   que transmitem    rotação entre eixos paralelos e foram  retiradas     das   impressoras junto com o eixo de suporte que a sustenta.

As engrenagens tem a finalidade de:
– Aumentar o torque;
– Diminuir a velocidade;
– Melhorar a precisão no posicionamento do robô;
– Promover o acoplamento com a roda de tração.

O suporte do eixo foi cortado com ajuda de uma morça e serra:

Figura 07. Eixo de suporte e engrenagem.

As rodas foram presas com parafusos compridos e finos nas engrenagens. O motor, engrenagem e o seu eixo do suporte,    são    encontrados já unidos em  certas  impressoras a jato de tinta. Para a engrenagem com a roda não cair do seu eixo, deve ser feito um furo com parafusadeira (rotação lenta) e uma broca na ponta que deve ser mais fina do que o eixo a ser perfurado, com mais ou menos 0.5 cm de profundidade, logo em seguida deve ser  injetado com um alfinete o durapox  para preencher o orifício aberto e  depois colocar a roda já unida/parafusada com a engrenagem, e utilizando uma tachinha com pino fino de metal e ponta redonda ou com circunferência, a mesma deve ser introduzida no orifício/furo (antes de secar o durapox), para segurar a roda com engrenagem no seu eixo.

Figura 08. Engrenagem, eixo de suporte e motor DC. Peças inteiras unidas que ficam geralmente nas laterais de certas impressoras. A roda é parafusada na engrenagem.

ELEMENTOS ELETROMECÂNICOS

Os    elementos    eletromecânicos   são   dispositivos   que   transformam   energia  mecânica  em  energia    elétrica   e   vice-versa.   Entre   eles   pode   se   destacar no projeto os motores DC e os sensores ultra-sônicos.

Motor de corrente contínua (CC / DC) e PWM

Diferentemente    dos     motores      de     passo     e     dos     motores   de    corrente alternada,    o    controle     da   velocidade     de    um    motor   DC  é relativamente simples.   O    objetivo   é   realizar   o    controle   independente   de  dois   motores DC,   que   estão   fixados    no   chassi   do robô,   para   que o mesmo seja capaz de se   deslocar  em   qualquer direção. Os   motores   utilizados   foram   retirados de lixos     eletrônicos   como     impressoras   velhas     que      geralmente      possuem motores   elétricos   de  12Vdc (9-20V) (figura 09), os mesmos usados   para   este projeto.    Motores   elétricos    de   até   36V     são     suportados      pelo      driver    SN754410    descrito     nos     elementos     computacionais.    O      controle      dos motores        é     realizado     através     de     PWM  –   Modulação     por   Largura de Pulso.     A      técnica      de      PWM     constitui   uma   maneira  fácil  de  controlar motores,  onde   é   utilizada     uma     saída   digital   para   o     controle   e consiste em    um   padrão   de  rápida   alternância    entre   liga   e   desliga   de  um período T,   na   qual,   parte   do   tempo   ela   estará em estado ativo e parte do tempo em estado desativado.

Figura 09. Motores retirados de impressoras.

Sensor de Ultrassom

O   uso   de   sensores   para    detecção    de   obstáculos   possibilita  o aumento da precisão de   deslocamento   do   robô   em   um ambiente, uma   vez   que  permite que   o robô diminua   sua   incerteza   com   relação   à   sua  localização dentro de um   entorno   previamente    modelado.   Inicialmente    estão    sendo    utilizados sensores   de   ultrassom  do  modelo HC-SR04.  Sensores deste tipo se justificam pelo   seu   baixo   custo,  facilidade  de   processamento  e uma precisão aceitável para   determinar   a   distância   de   um   objeto   utilizando   o  sonar para desviar obstáculos.   O   princípio  do sonar baseia-se no envio de um sinal (neste caso, na faixa de ultrassom: 40 KHz)   e   a  detecção do seu eco, que é um pulso  em  nível  alto    que   corresponde   ao   tempo   de ida e volta do som, ou seja, é necessário  dividir este  tempo por 2.  Se nada for detectado, o sensor reduz sua linha de eco  depois  de cerca   de   36ms.   O sensor pode ser visto na (figura 10).

Figura 10. Sensor   ultra-sônico. Pinos: 1)  5V – Alimentação; 2) TRIG – Disparo do sinal, um pulso inicia; 3) ECO – Pulso do Eco; 4) GND – Terra.

Algumas características importantes:

Tensão  –  5v
Corrente  –  30mA Tip. 50mA Max.                                                                                             Freqüência – 40KHz
Distância Max.  –  500 cm                                                                                                                 Distância Min. – 3 cm
Sensibilidade  –  Detecta um cabo de vassoura com 3cm de diâmetro, a mais de 2m de distância.                                                                                                                           Disparo (Trigger)  –  10uS Min. nível TTL                                                                               Pulso de eco  –  Sinal TTL positivo, proporcional à distância ao obstáculo.             Dimensões – 43mm x 20mm x 17mm.

dataSHEET do HC-SR04 aqui.

Ao tempo do pulso, é possível  calcular  a  distância  em   polegadas/centímetros, por  exemplo,   distância = (tempo  de   alto   nível  *  velocidade   do   som (340M /S) /2.

Montagem da estrutura mecânica e eletromecânica do robô (figura 11).

Figura 11. Mecânica e eletromecânica

ELEMENTOS COMPUTACIONAIS

A   complexidade   de  um robô passa pelas dificuldades dos projetos mecânicos e elétricos,   mas   o   principal   desafio   é,   com   certeza,   dar   ao    dispositivo     a “inteligência” necessária para que ele possa desempenhar suas tarefas.  O projeto usa a plataforma open-source Arduino em conjunto com   um  driver de Potência SN754410 .

Arduino

O    Arduino  Duemilanove   (figura 12),  faz   parte    do    conceito   de  hardware e software livre para uso  e contribuição de  toda    sociedade.    conceito    Arduino surgiu     na  Itália   em   2005    com   o   objetivo   de   criar    um   dispositivo para controlar projetos/protótipos  construídos de uma forma  menos       dispendiosa do    que outros sistemas disponíveis no mercado.  Arduino  é uma  plataforma de computação   física, baseada        em        uma       simples     placa de Entrada/Saída microcontrolada   e     desenvolvida     sobre   uma   biblioteca   que   simplifica     a escrita     da      programação     em    C/C++.    Um      microcontrolador    (também denominado   MCU)     é     um      “computador”      em     um      chip,   que   contém processador,     memória e periféricos de entrada/saída. É um  microprocessador que    pode   ser   programado   para   funções   especificas      em    contraste    com outros   microprocessadores    de  propósito  geral   (como os utilizados nos PCs). Eles   são   embarcados no interior   de algum outro dispositivo, no nosso caso o Arduino, para que possam controlar suas funções ou ações.

Figura 12. Arduino Duemilanove.

Mais informações: www.arduino.cc.

Driver SN754410

Para    implementar    um circuito capaz de inverter o sentido de circulação numa carga    usando   apenas   transistores e com fonte simples é usado a Ponte H. Pela distribuição   dos   componentes   lembra   a  letra “H”, assim temos uma ponte de controle completa,   pois   há   controle   das correntes em dois ramos do circuito. Para   este   funcionamento   é   utilizado  o  CI SN754410, presente no projeto. O CI contém quatro drivers  internos  que  permitem controlar  até quatro motores em  um  único   sentido   ou   dois   motores   nos dois sentidos. Os pinos 3, 6, 14 e 11 são utilizados para conectar os motores . A (figura 13) ilustra o componente.

Figura 13. Driver SN754410

dataSHEET SN754410 aqui

ARQUITETURA DO ROBÔ

O projeto será composto    de apenas três componentes de hardware: os motores DC, sonar,   Arduino   e  uma   matriz   de   contato  ou protoboard com um driver Ponte – H      para realizar   a   conexão dos motores. O arduino serve como ponte entre os     sensores (sonar)   e   os atuadores (motores),   transmitindo   a   eles  as instruções provenientes do firmware/software. A comunicação entre a interface de   controle   e   o   dispositivo   se   dá   através   de uma conexão serial padrão. O diagrama de blocos do projeto pode ser visto na (Figura 14).

Figura 14. Diagrama de blocos do projeto.

PS: Para ver as imagens em tamanho real click sobre as mesmas.

O circuito dos Módulos Arduino e driver ponte-h SN754410   na     protoboard, podem ser vistos no desenho feito no software Fritzing (Figura 15), juntamente com os elementos eletromecânicos do protótipo. Notem que existem 4 capacitores cerâmicos no circuito, são capacitores de 103pf, mas eles são opcionais no projeto, não sendo necessário usa-los.

Figura 15. Componentes eletrônicos e eletromecânicos do robô.

Download do aquivo do Fritzing

Os pinos de saída (output) 3, 4, 9. 5, 6 e 10 do Arduino são conectados  nos pinos de entrada (input) 2, 7, 1, 10, 15 e 9 do CI SN754410 para fazer o acionamento  nos motores, os demais pinos são ligados na protoboard (Figura 15).     Para conectar  o  Arduino com o Sonar são ligados os pinos digitais 13 e 12 do  Arduino com os pinos Trig e Eco do sonar. Detalhes sobre as conexão pino a pino   podem   ser   o   observados na tabela 1.