Mostra Nacional de Robótica (MNR) 1

FASES DE DESENVOLVIMENTO DE UM ROBÔ AUTÔNOMO SEGUIDOR DE

LINHA

Mateus de Freitas Andrade, Juliano Coêlho Miranda, Dionísius Oliveira Mayr

mateusfreitasandrade@gmail.com, coelhojm@varginha.cefetmg.br (orientador), mayr.dio@hotmail.com

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS, CEFET/MG

Avenida dos Imigrantes, 1000, Vargem

CEP 37022-560 – Varginha – MG

http://www.varginha.cefetmg.br/

Resumo: O presente artigo descreve a fases de projeto e

implementação de um robô seguidor de linha no Centro

Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET),

Varginha/MG, para participação na fase estadual da Olímpiada

Brasileira de Robótica (OBR) 2012, no que tange as estruturas

física, eletrônica e computacional. O robô deve simular o

comportamento de um bombeiro que tem como principal

objetivo resgatar vítimas em um ambiente. Cabe ao robô entrar

no ambiente, e, de forma autônoma, desviar de escombros,

transpor áreas que tiveram o caminho obstruído e ajudar a

resgatar as vítimas do acidente.

Palavras Chaves: Robô seguidor de linha, Robô autônomo,

Sistema Mecatrônico, Arduino, Olimpíada Brasileira de

Robótica.

1 INTRODUÇÃO

Um robô seguidor de linha (Line Follower Robot) é uma

máquina automática e programável, um sistema inteligente,

que pode detectar e seguir uma linha traçada no chão.

Geralmente, o caminho é predefinido e pode ser visível como

uma linha preta em uma superfície clara, ou invisível, como um

campo magnético [1] [2].

Este tipo de robô percebe a linha através de sensores de raio

infravermelho (IR) instalados sob o robô. Se os sensores

estiverem conduzindo, sinais são enviados para um processador

que executará a tomada de decisão para acionamento ou

desacionamento dos motores destinados a locomoção [3].

Acoplando-se garras ao robô seguidor de linha é possível

utilizá-lo para o transporte de diversos tipos de materiais, o

acionamento ou desacionamento de artefados explosivos, além

do resgate de objetos e pessoas. Na Olímpiada Brasileira de

Robótica (OBR), desafio do resgate, um robô simula o

comportamento de um bombeiro que tem como principal

objetivo resgatar vítimas em um ambiente que sofreu um

incidente. Cabe ao robô entrar no ambiente, e, de forma

autônoma, desviar de escombros, transpor áreas que tiveram o

caminho obstruído e ajudar a resgatar as vítimas do acidente

[4].

Neste contexto, este artigo descreve a fases de projeto e

implementação de um robô seguidor de linha no Centro

Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET),

Unidade de Varginha/MG, para participação na fase estadual

da OBR 2012, no que tange as estruturas física, eletrônica e

computacional.

2 O SISTEMA MECATRÔNICO

A Figura 1 representa de forma genérica o sistema mecatrônico

utilizado para o projeto do robô. Os sensores permitem obter

do mundo físico informações que são processadas digitalmente,

resultando em ações de controle. O sistema de controle age

sobre o sistema físico por meio de atuadores, por exemplo,

motores [5].

Estrutura

Forma de Locomoção

Motores

Sistema de Controle

Sensores

Figura 1 – Sistema Mecatrônico proposto

O projeto foi orientado pela disponibilidade de peças, suas

peculiaridades, medidas e especificações. Como a estrutura

deve integrar o meio locomotor a motores e sensores o

controlador também deve ser compatível com os dispositivos

eletrônicos. A Figura 1 ilustra as interconexões existentes entre

cada parte do robô com suas respectivas relações, em que as

setas, sensores-controlador e controlador-motores, representam

ligações elétricas para troca de informações. As demais

conexões revelam o agrupamento entre as partes, sendo a

estrutura o suporte central.

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2.1 Estrutura Física

O robô seguidor de linha foi projetado com o intuito de realizar

um trabalho: entrar no ambiente, e, de forma autônoma, desviar

de escombros, transpor áreas que tiveram o caminho obstruído

e ajudar a resgatar as vítimas do acidente [4]. O trabalho é

realizado quando o robô movimenta sua estrutura a fim de

transpor áreas e deslocar o objeto a ser manipulado [6]. A

estrutura destes robôs consiste basicamente numa série de

corpos rígidos, idealmente sem deformação pela ação de forças

aplicadas sobre estes. Esta seção descreve os materiais

utilizados e os desenhos técnicos da estrutura física.

2.1.1 Corpo Principal

Com peculiaridades como transparência, resistência a abrasão,

estabilidade dimensional e boa moldabilidade [7] o acrílico foi

selecionado como material principal para confecção do corpo

do robô.

As peças foram confeccionadas através de cortes a laser, sobre

uma placa de acrílico com 5 mm de espessura e precisão de

0,01 mm.

2.1.2 Desenhos Técnicos

Os desenhos técnicos das peças foram realizados nas

ferramentas computacionais AutoCAD 2012® e SolidWorks

2011®, com escala 1:1.

Para vizualizar a montagem e o resultado final elaborou-se um

desenho em 3D no SolidWorks 2011®, com as dimensões reias,

conforme ilustra a Figura 2 (dimensões totais de 131 mm x 118

mm x 97 mm).

Figura 2 - Estrutura Mecânica, SolidWorks 2011®

As partes laterais, Peça 1 Figura 2, foram inspiradas na

disposição das rodas que compõem uma esteira (Figura 3). Tais

rodas foram dispostas em forma trapezoidal, visando equilíbro

e simetria, conforme dimensões descritas na Figura 4 (local

onde são fixados motores e esteiras).

Figura 3 – Esteira em formato trapezoidal, Tamiya 70100 [8]

Figura 4 – Dimensões Peça 1

A Peça 2 (Figura 2) é um suporte para o Sensor Ultrassônico,

desenhado com base nas dimensões do modelo utilizado (Figura

5), Modelo HC-SR04 [9].

Figura 5 - Dimensões Peça 2

Com objetivo principal de servir como base de fixação da

garra, a Peça 3 (Figura 2) é também responsável por adicionar

resistência ao corpo principal do robô (Figura 6).

Figura 6 - Dimensões Peça 3

A parte superior, Peça 4 (Figura 2), serve de base para o circuito

eletrônico e também possui função agregadora com as laterais

(Figura 7).

Figura 7 - Dimensões Peça 4

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2.1.3 Garra Robótica

A vítima descrita nas regras da fase estadual da OBR 2012 é

uma lata de alumínio com capacidade de 350 ml e com peso de

150g, neste ínterim, foi elaborada uma garra robótica acionada

por um Servo Motor, conforme esboça a Figura 8.

Figura 8 - Garra Robótica, SolidWorks 2011®

Para utilização de apenas um motor no acionamento da garra,

elaboraram-se engrenagens no início de cada haste (dedo da

garra), conforme a Peça 5 (Figura 8 e Figura 9).

Figura 9 - Dimensões Peça 5

A Peça 6 (Figura 10) compõe a parte superior da garra e, serve

como suporte para o Servo Motor.

Figura 10 - Dimensões Peça 6

Como forma de deixar a garra mais resistente, acrescentou-se

quatro unidades da Peça 7, Figura 11, entre a parte inferior e

superior, conforme a montagem da Figura 8.

Figura 11 - Dimensões Peça 7

A Peça 8 (Figura 12), parte inferior da garra, entra em contato

com a estrutura do robô e se prende a mesma. Tais peças

unidas às hastes completam o manipulador.

Figura 12 - Dimensões Peça 8

2.1.4 Junções

Através de parafusos com porcas, em diâmetros que variam de

2 a 5 mm e comprimentos de 12 mm a 50 mm, foram

realizadas as junções das peças oferecendo modularidade à

manutenção da estrutura, e flexibilidade no que tange as

regulagens necessárias durante os testes com o robô.

2.2 Sensores

Os sensores são dispositivos que fornecem dados as entradas

do controlador, pelos quais é possível obter informações

referentes ao meio. Três tipos de sensores foram utilizados:

infravermelho, ultrassônico e acelerômetro.

2.2.1 Infravermelho

A leitura do plano onde o robô se encontra foi executada por

quatro sensores infravermelho analógicos, modelo QRE1113

(Figura 13), dispostos colinearmente.

Figura 13 - Sensores Infravermelho [10]

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O emissor envia os raios infravermelhos em direção ao chão, e

após esses raios refletirem e serem captados pelo receptor, este

envia um valor de tensão para o controlador [11]. A tensão

enviada depende do tipo e tonalidade do meio responsável pela

reflexão. A partir do contraste entre preto e branco, da

superfície onde o robô se encontra, é possível que o trajeto seja

exercido de forma autônoma.

2.2.2 Ultrassônico

Um sensor ultrassônico do modelo HC-SR04 [9] (Figura 14) foi

utilizado para detectar objetos, superiores a 10 cm de altura, no

plano paralelo à superfície. O sensor ultrassônico funciona

emitindo uma onda sonora de alta freqüência e captando o eco

resultante do choque dessa onda com um objeto. A distância

entre o sensor e o objeto é calculada utilizando o tempo que a

onda levou para retornar ao sensor. O modelo utilizado possui

alcance de 2 cm até 5 metros e uma precisão de 3mm.

Figura 14 - Sensor Ultrassônico [12]

2.2.3 Acelerômetro e Magnetômetro Tri Axiais

O acelerômetro é o instrumento usado para medir inclinações

[11]. Conforme mostra a Figura 15, utilizou-se o modelo

LSM303DLH, fabricante STMicroeletronics, que abrange os

três eixos, X, Y e Z, ou seja, tri axial. O sensor é capaz de

detectar, por exemplo, quando o robô está em um declive ou

aclive. Este sensor foi adquirido com o circuito eletrônico

nessesário ao seu funcionamento, montado pelo fabricante

Pololu.

Figura 15 - Acelerômetro e Bússola [13]

Com funcionamento semelhante ao de uma bússola, o

magnetômetro é utilizado para medir o campo magnético da

terra e, em seguida, determinar a posição angular em relação ao

norte magnético [14]. Sendo possível localizar pontos cardeais

e orientar ou rotacionar apartir deles.

Com informações destes dispositivos o robô é capaz de realizar

rotações ou ainda direcionar-se a partir dos pontos cardeais.

2.3 Atuadores

A realização de movimentos articulares é confiada a atuadores,

que permitem a realização de um movimento desejado para o

sistema mecânico [15]. Os tipos de movimentos requeridos

foram o de locomoção, abertura e fechamento da garra,

realizados através de servo motores.

2.3.1 Motores

Dois servo motores Hobbico HCAM0149 CS-60 (Figura 16)

foram modificados para girar 360°, tornando possível a

utilização dos mesmos para fornecer o torque necessário à

locomoção do robô. A escolha desse motor se deu pelo tipo de

controle oferecido, PWM (Pulse-Width Modulation), e

acionamento sem o uso circuitos externos. Outro ponto a ser

observado é a relação torque/peso extremamente favorável:

com menos de 50 gramas o motor é capaz de fornecer um

torque de 3,50 kg.cm e velocidade de 0,16 s/60° quando

alimentado com 6V [16].

Figura 16 - Servo Motor [16]

Na garra foi utilizado um Servo Motor Turnigy MG90S,

conforme Figura 17. Este modelo possui peso de 13,4 gramas,

torque de 2,2kg.cm e velocidade de 0,08 s/60° [17].

Figura 17 - Garra Robótica acionada por Servo Motor

2.4 Estrutura de Controle

Para realizar o funcionamento autônomo, que prevê um

dispositivo de controle para interpretar os dados recebidos por

sensores, processar tais informações e enviar comandos aos

atuadores [15], optou-se pelo Arduino Uno e programação em

linguagem C.

2.4.1 Arduino Uno

O Arduino consiste em um circuito eletrônico que fornece

suporte a um Microcontrolador ATmega fabricado pela Atmel®

(Figura 18) com: reguladores de tensão, o que possibilita o uso

de fonte com tensão superior a 5V; comunicação USB

(Universal Serial Bus), possibilitando programar, enviar e

receber dados ao microcontrolador através de um computador

tipo IBM-PC; possui tamanho compatível com o robô, 5,3cm

de largura, 6,8cm de comprimento e 1,0cm de altura. A Tabela 1

cita especificações do Arduino [18].

Figura 18 - Arduino Uno [19]

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Tabela 1 - Especificações do Arduino Uno [19]

Microcontrolador ATmega328 - Atmel

Tensão de operação 5V

Tensão de entrada 7V – 12V DC

Pinos de I/O digitais 14

Entradas Analógicas 6

Memória Flash 32KB

Frequência do Clock 16MHz

2.4.1.1 Shield

Conforme adotado comercialmente, shields são placas de

circuito eletrônico que adicionam funções ao Arduino

facilitando seu uso e ampliando suas capacidades, por exemplo,

realizar o controle de servo motores, comunicação via wireless,

bluetooth ou memórias. Para atender os requisitos foi

elaborado um shield, Figura 19, que possui conexões com os

servo motores e sensores infravemelho, ultrassônico e

acelerômetro, além de oferecer sua própria alimentação, com

tensões de 5V e 6V.

Figura 19 – Confecção do Shield

Com o uso do software Proteus Professional 7.6 SP0® (ISIS e

ARES) executou-se o projeto, Figura 19, dispolibilizando

conexão para quatro sensores infravermelhos, três servo

motores, um acelerômetro e um sensor ultrassônico. A placa

possui outras características, como uma chave geral On/Off

para o shield e o Arduino, e um LED (Light Emitting Diode) de

sinalização.

2.4.2 Código Fonte

O código da estrutura de controle foi implementado em

linguagem C, com o uso do software Arduino 1.0.1®[20]. Essa

programação foi responsável pelo controle autônomo do robô,

tomando decisões mediante as informações adquiridas pelos

sensores (Figura 20).

Fez-se o uso de tutoriais e bibliotecas [21] que agilizaram a

programação pertinente a comunicação entre as partes deste

sistema mecatrônico, conforme esboça a Figura 21.

Figura 20 - Trecho do Código-Fonte, compilador Arduino 1.0.1®

Figura 21 - Tipos de comunicação com o Arduino

As operações realizadas pelo código-fonte estão sumarizadas

na Figura 23.

2.5 Fonte de Energia

Como forma de proporcionar uma locomoção independente de

cabos elétricos, utilizou-se uma bateria modelo Onyx 1800,

fabricante Duratrax, confeccionada em Níquel - Cádmio (Ni-

Cd) com 1800 mAh e 7,4 V. Justifica-se o uso desta bateria

pela duração média de duas horas e meia. Cabe ressaltar que a

corrente do robô em funcionamento é de 700mA.

3 O ROBÔ

A Figura 22 ilustra a implementação final do robô após galgar

os passos supracitados.

Figura 22 – Estrutura Final do Robô

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Início

Término

Leitura dos Sensores Infravermelho

Funcionamento dos motores conforme a condição dos Sensores Infravermelho

Rota de desvioDistância <

10 cm

Detecção de obstáculos através com Sensor

Ultrassônico

Leitura do Acelerômetro e do Magnetômetro

Inclinação > 15° Rampa <= TRUE

RampaInclinação

< 5° Ausência de

linha

V

V

FF

Localização e resgate da vítima

F

V

F

V

Figura 23 – Fluxograma, sumarização do código-fonte

4 CONCLUSÃO

A partir da realização desse estudo, é possível apontar

sugestões para a elaboração de projetos similares, referentes a

robôs seguidores de linha autônomos.

No que tange a estrutura física é possível adequá-la às

necessidades apresentadas ao robô, utilizando aplicativos

computacionais de desenho técnico, tornando-a modular,

compacta e flexível a necessidade de alterações.

O peso do robô e, por conseguinte, a escolha dos motores,

tornam-se fator preponderante. Para alcançar um torque maior,

servo motores podem ser utilizados, porém esta escolha

acarreta uma perda de velocidade em comparação com motores

de corrente contínua.

Usar o Arduino como dispositivo de controle fornece

praticidade no interfaceamento homem máquina, e uma ganha

de aplicações de controle que ajudam no desenvolvimento do

sistema computacional.

A realização deste projeto culminou na participação da etapa

Regional Mineira da Olimpíada Brasileira de Robótica (OBR),

sediada em São João Del-Rei no dia 30 de junho de 2012. O

robô utilizado alcançou a terceira colocação. Cabe ressaltar que

este foi o único projeto confeccionado integralmente pelos

alunos (Equipe DjMS) no que tange a estrutura mecânica,

eletrônica e computacional.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer aos Laboratórios de

Automação Industrial, Robótica e Microcontroladores do

Departamento de Mecatrônica, Centro Federal de Educação

Tecnológica de Minas Gerais (CEFET), Varginha/MG,

patrocinadores, familiares e componentes da Equipe DjMS

pelas facilidades proporcionadas quando do desenvolvimento

deste trabalho e os conhecimentos partilhados durante a

disciplina de Estrutura de Dados e Microcontroladores (EDM).

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