DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO ROBÓTICO INDUSTRIAL

Danielle Medeiros1, Illa Carvalho

2, Josué da Silva

3, José Soares Batista Lopes

4

danicqm@gmail.com1, illagpcarvalho@gmail.com2, josue.senai@hotmail.com3, jsoares@ifpb.edu.br4

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba1,2,3,4

Av. 1º de Maio, 720, Jaguaribe, João Pessoa - PB - CEP: 58.015-430

Resumo — O objetivo deste trabalho é mostrar como foi construído o protótipo robótico.. Na etapa de concepção foi necessário discutir quais seriam os materiais utilizados para confecção do protótipo e qual seria sua atividade a ser desempenhada, neste caso, uma sopradeira. Logo em seguida iniciou-se a confecção do robô, onde foi utilizado o laboratório de mecânica do IFPB para usinar as peças necessárias. No término da estrutura física foi realizada o processo de fixagem dos motores que necessitaram de adptações para fixagem nos elos. Assim que a estrutura física do protótipo ficou totalmente pronta com a fixação dos motores, iniciou a parte de programação do robô e sua montagem do circuito no laboratório de microcontroladores do IFPB. No término do o circuito, das ligações dos motores foi realizado os testes de usabilidade que constataram funcionamento do manipulador.

Palavras Chaves: Protótipo, Usinagem, Manipulador, Laboratório.

Abstract: The objective of this paper is to show how the robot prototype was made in its steps. First it was necessary to discuss wich kind of materials we should use to the confection of the prototype and what it would be its function, in this case, a prototype to blow air. Soon after we started the construction of the robot, where we used the mechanics laboratory from IFPB to machine the needed pieces. When the physical structure was done, the process was to nail the engines, the laboratory was also used to adjust mechanical parts to nail the engines on their links. Once the prototype physical structure was ready and the engines were nailed, we start the programming part of the robot and assembly of the circuit and this time we used the microcontrollers laboratory from IFPB. Finally, when the circuit was assembled and the connections with the engine to the circuit were also ready, we ran and shoot the working project.

Keywords: Prototype, Machine, Manipulator, Laboratory.

1.INTRODUÇÃO Desde 1961, o uso de robôs industriais vem crescendo rapidamente em todo o mundo. Os robôs são manipuladores reprogramáveis e multifuncionais, projetados para manipular ferramentas, peças, materiais ou dispositivos especializados por meio de movimentos variáveis programados. Um robô é um sistema mecânico, de geometria variada, composto por corpos rígidos, articulados entre si, destinado a sustentar e posicionar ou orientar a ferramenta terminal, que, dotado de garra mecânica ou ferramenta especializada, fica em contato direto com o processo. A mobilidade do manipulador é resultado de uma série de movimentos elementares, independentes entre si, denominados graus de liberdade do robô. O braço do robô executa movimentos no espaço, transferindo objetos e ferramentas de um ponto para outro, orientado pelo controlador através de botões. O braço do robô é composto de uma série de elos e juntas, sendo a junta que conecta dois elos e com isso permite o movimento relativo entre eles. Todo robô possui uma base fixa e o primeiro elo está preso a ela. A mobilidade de um robô depende do número de elos e articulações que possui (CHG Campbell, CL Coutinho e JP Júnior, 2006). Robótica é um ramo da informática que engloba computadores, robôs e computação, que atualmente trata de sistemas compostos por partes mecânicas automáticas e controladas por circuitos integrados tornando sistemas mecânicos motorizados, controlados manualmente ou automaticamente por circuitos elétricos. O objetivo deste trabalho é descrever o processo de planejamento e construção do robô manipulador industrial. Para construção deste projeto, foi necessário utilizar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso, desde a usinagem no laboratório de mecânica até à montagem do circuito eletrônico e programação do PIC no laboratório de microcontroladores. Já a finalidade do robô é simular uma sopradeira industrial para maior eficiência na produção de garrafas plásticas na indústria de qualquer tipo de bebida que utilize esse tipo de garrafas, tais como refrigerantes, água, sucos e etc. 2. Movimentação de um Robô Segundo Paulo Pereira, 2003, o Robô é um manipulador projetado para realizar diferentes tarefas e ser capaz de

Artigo Submetido em xx/xx/xx 1a. Revisão em xx/xx/xx; 2a. Revisão em xx/xx/xx; 3a. Revisão em xx/xx/xx; 4a. Revisão em xx/xx/xx; Aceito sob recomendação do Ed. Consultor Prof. Dr. Yyyy Yyyyyyyy yy Yyyyyyyy

repeti-las. Para realizar determinadas tarefas, o robô move partes, objetos, ferramentas, e dispositivos especiais segundo movimentos e pontos pré-programados. Um robô consiste de vários elos mecânico motorizado e um cérebro na forma de um computador que controla seus movimentos. O computador guarda em sua memória um programa que detalha o curso que os elos seguirá. Quando o programa está sendo executado, o computador envia sinais ativando motores que movem os elos e a carga no final dele, que é mantida sob controle pelo atuador.

2.1. Programação do Robô Neste modo, o controlador recebe instruções gerais sobre a trajetória de movimento. Enquanto o braço está se movendo, o controlador deve calcular a extensão do movimento das vária articulações a fim de se mover pela trajetória desejada. As informações recebidas dos sensores sobre mudanças no ambiente do robô enquanto o braço se move são processadas pelo controlador em tempo real. Controle em tempo real é preferível a programação off-line, por ser mais flexível na sua habilidade de mudar o curso de ação enquanto uma tarefa está sendo executada. Esta flexibilidade exige um controlador mais complexo, incluindo um computador rápido o suficiente para processar a informação sem diminuir a velocidade de operação do robô (PHC Pereira, 2003).

3. JUSTIFICATIVA Este trabalho foi feito para o projeto final da disciplina de Robótica do curso de Tecnologia em Automação Industrial do IFPB. O desafio era construir um robô com materiais e função à nossa escolha. Decidimos escolher um robô que simulasse o trabalho de uma sopradeira, pois era algo que ainda não tinha sido feito antes por turmas anteriores. Com o crescimento da automação dentro das indústrias, o uso de robôs também começou a ser utilizado para a confecção de garrafas plásticas nas indústrias de bebidas, já que, desta forma, a indústria teria uma velocidade maior na produção. Então, para simular, foi necessário encontrar um dispositivo que soprasse, o mais próximo disto que conseguimos encontrar, foi uma bomba de água de limpar para-brisa de carro. 5. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS Na definição da ISO 10218, um robô é dito manipulador industrial quando: “Máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel, para utilização em aplicações de automação industrial.”. O robô que foi confeccionado pela equipe se adéqua à ISO mencionada. O projeto atende às indústrias na área de bebidas, ou seja, tem a função de soprar ar para moldar as garrafas. O posicionamento dos braços do robô depende do tipo de motor utilizado, neste caso os motores são os Motores de Passo. O controle dos eixos é feito pelo uso de microcontroladores, onde foi utilizado o PIC 16F877-A, que armazena uma série de posições na memória e executa essas tarefas manualmente através de seis botões do apêndice de ensino. Este PIC foi utilizado, pois foi o PIC que utilizamos na disciplina de Microcontroladores e era o mais familiar à todos. Já para a função de soprar, foi utilizada uma bomba de água de limpar para-brisas de um automóvel, contudo ao invés de jorrar água, apenas foi utilizada a função de soprar para atender os requisitos dos projetos.

Figura 1. Bomba de água

5.1 MOTOR DE PASSO Os Motores de Passo são dispositivos eletromecânicos que convertem pulsos elétricos em movimentos mecânicos que geram variações angulares discretas. O rotor ou eixo de um motor de passo é rotacionado em pequenos incrementos angulares, denominados “passos”, quando pulsos elétricos são aplicados em uma determinada seqüência nos terminais deste. A rotação de tais motores é diretamente relacionada aos impulsos elétricos que são recebidos, bem como a seqüência a qual tais pulsos são aplicados reflete diretamente na direção a qual o motor gira. A velocidade que o rotor gira é dada pela freqüência de pulsos recebidos e o tamanho do ângulo rotacionado é diretamente relacionado com o número de pulsos aplicados. Os motores de passo , Figura 2, têm a função de movimentar cada elo de forma precisa, para a melhor execução das tarefas já estabelecidas na programação do robô(FG Brites e VPA Santos, 2008).

Figura 2. Motor de Passo

5.2. PROTÓTIPO O protótipo têm uma rotação de base de 360°, porém limitou-se a rotação para um ângulo de 90º para melhor desempenho do protótipo. O segundo eixo o movimento realizado é horizontal (direita e esquerda) e no último eixo o elo faz um movimento rotacional que também é limitado para não realizar uma volta de 360º. São utilizados três motores de passo e cada motor controla um eixo. Cada motor de passo foi fixado por parafusos em cada eixo do robô, Figura 3.

Figura 3. Protótipo

5.2.1. Usinagem Para montagem do protótipo foi discutido qual seria a melhor maneira de unir cada elo e como fixar os motores. Foi necessário usinar diversas peças para fixagem dos motores e dos elos do protótipo. Para fixar o motor no elo o qual o mesmo terá que mover, foram usinadas peças de alumínio para exercerem a função de uma bucha. Porém com a falta de material e brocas ideais aconteceram alguns imprevistos, como a bucha que foi usinada no Laboratório de Mecânica do IFPB, como as ferramentas ideais não estavam disponíveis, foi preciso um improviso apenas para realizar o encaixe do motor na bucha, o resultado foi que o motor entrou de forma errada no furo e ao tentar removê-lo, o motor de passo quebrou, Figura 4. Todo o processo de usinagem foi realizado no laboratório de mecânica do IFPB.

Figura 4. Motor de passo quebrado

5.2.2. Montagem Para a montagem, foi analisado que fixagem dos elos e dos motores com parafusos seria a melhor solução. A base é um pedaço de madeira onde foi feito um furo para fixar um rolamento e por este passaria uma peça que teria um extremo ligado ao motor da base e o outro à uma segunda peça que foi usinada também para ser fixada ao segundo elo, Figura 5.

Figura 5. Elos unidos por parafusos

O Motor da base foi fixado embaixo da peça de madeira por duas peças de alumínio e parafusos. O segundo eixo é uma peça de um microscópio para fazer o movimento horizontal, nele foi colocado uma peça de alumínio para ser parafusada na primeira peça do primeiro elo. Já o terceiro elo é uma peça de acrílico que foi feito um furo para passar um parafuso e nesse parafuso foi fixada uma bucha e do outro lado da bucha, foi coloca o motor de passo. Esse motor de passo foi parafusado em uma peça de alumínio que também está parafusada na parte do microscópio. 5.3. Microcontrolador O microcontrolador é um pequeno componente eletrônico, dotado de uma “inteligência” programável, utilizado no controle de processos lógicos (EXSTO, 2008). O PIC utilizado nesse projeto foi o 16F877A que foi embarcado a programação para controlar os três motores de passo através dos botões. A programação utilizada foi para ligar um motor de passo. No caso deste protótipo, foi utilizada a programação para o motor dar meio passo, assim o movimento do robô fica mais suave. Na programação também foi necessário escolher qual seria o delay(atraso) de cada energização da bobina. Foi escolhido um delay de 40ms, pois não deixava rápido os motores e ao mesmo tempo os motores comportavam-se de maneira suave como o desejado no projeto. Foi observado que caso optasse em um delay menor do que 10ms, o motor apresentava perda de torque e apenas vibrava. Esse não é um comportamento interessante para os motores.

5.4. Implementação do circuito

O circuito foi montado em uma protoboard com o circuito padrão para ligar o PIC, encontrado em qualquer datasheet do PIC, e os elementos principais para ligar cada motor de passo. Foram utilizados no total seis botões e três ULN2003 como observado na Figura 6. além de estar montado o circuito padrão para ligar o PIC, também está montando o circuito para ligar os três motores de passo do robô. Na Figura 6 visualiza-se o circuito e o Microcontrolador PIC com seis botões e três ULN2003 utilizados para funcionamento do protótipo. Dos seis botões utilizados: dois botões são para cada motor responsáveis em controlar qual será o sentido que o motor irá girar, um para o sentido horário e o outro anti-horário.

Figura 6. Circuito montado na protoboard

6. CONCLUSÃO Alguns aspectos foram observados sobre o robô, como o seu baixo custo de confecção; as aulas supriram bastante as informações necessárias para a construção; a utilização do MatLab 6.0 e o PIC Compiler foram de fundamental importância para a simulação e programação do robô. No processo de confecção do protótipo e da montagem do circuito as maiores dificuldades encontradas foram a falta de material disponível. Como o protótipo é pequeno, são necessárias ferramentas de pequeno porte também, como brocas, ferramentas para usinagem. No laboratório de mecânica do IFPB utilizada tem como objetivo é construir peças mais robustas, portanto não são indicadas para confeccionar protótipos de pequeno porte.Outro problema identificado foi a falta de componentes eletrônicos. O ideal para a montagem do circuito na protoboard seria utilizar apenas dois ULN2803 ao invés de três ULN2003, optou-se utilizar o ULN2803, pois o mesmo é capaz de transmitir sinais para dois motores ao mesmo tempo, porém o único disponível era o ULN2003 que dispõe de transmissão de sinal apenas para um motor de cada vez. Foi encontrado problemas na construção do Protótipo devido aos componentes e sua usinagem. Porém, o final do protótipo foi o esperado. O Manipulador funcionou conforme o planejado e a montagem ficou de acordo com o que era necessário para fazer o robô funcionar.

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BARRIENTOS, A.; Penin, L. F. B. C. Fundamentos de Robótica, 1 edn, MacGraw Hill, 1997. PEREIRA, Paulo Henrique C. Robótica e Automação, UNIS/MG-FACECA, 2003. CAMPBELL,Carlos Henrique Gonçalves; COUTINHO, Camila Lobo; JÚNIOR, Jediael Pinto. Desenvolvimento de um robô manipulador industrial. Associação Educacional Dom Bosco, 2006. BRITES, Feliz Gonçalves; SANTOS, Vinícius Puga de Almeida. Motor de Passo. Universidade Federal Fluminense, 2008. PEREIRA, Fábio – Microcontrolador PIC, Técnicas Avançadas, 3.ª Edição, São Paulo, 2002.