EXPLORADOR DE AMBIENTES MECABOTlvaro Pereira Peixoto 1 peixotoreboucas@gmail.com Carla Mauricio Gasparetto2 cmgasparetto@hotmail.com Rodrigo caro Pereira Vras3 icarodrigo@hotmail.com Roger Xavier de Jesus Costa4 rogerrchp@hotmail.com Universidade Salvador (UNIFACS) Rua Vieira Lopes, n. 2 - Rio Vermelho CEP: 41.940-560 - Salvador Bahia Brasil

Resumo: O estudo, o desenvolvimento e a utilizao de robs exploradores vm crescendo mundialmente e suas aplicaes so as mais diversificadas. Desde uso em misses espaciais at monitoramento de pacientes em hospitais, esses robs funcionam com muita preciso e possuem disponibilidade de insero de distintos dispositivos para monitoramentos simultneos. Nesse contexto, a tecnologia aplicada e o tipo de programao fazem total diferena. Neste artigo constam informaes acerca do MECABOT, desenvolvido para o Programa Interdisciplinar ARHTE (Arquimedes, Robert Hooke e Thomas Edison) da Universidade Salvador. Os mtodos, componentes eletrnicos e mecnicos utilizados pelos estudantes para desenvolvimento do prottipo so discorridos neste artigo. H, tambm, uma abordagem dos principais pontos da construo, a fim de que o leitor possa acompanhar e entender os aspectos de maior relevncia desse rob. Palavras-chave Ambientes, Explorador, Rob.

1.

INTRODUO

A necessidade de se explorar ambientes mais que uma mera aspirao de cientistas, uma necessidade que vem demandando tecnologia arrojada e eficiente, isso comprovado nos mais variados programas que o governo norte americano mantm ativos. No espao, diversas sondas foram enviadas com esses robs para estudar planetas como Marte, com o intuito de enviar misses tripuladas por humanos no futuro (Discovery Brasil, 2012). O Mecabot um Rob Explorador de Ambientes (REA), uma ferramenta para aplicaes em ambientes onde ofeream riscos de morte ou que possam causar traumatismos s pessoas. Esse tipo de rob ganhou notoriedade ainda no incio da corrida espacial, uma espcie de competio entre Estados Unidos e Unio Sovitica na dcada de 50, Anos Dourados, caracterizado pelas revolues comportamentais, cientificas e principalmente pela tecnolgica. Nessa poca no havia meios suficientes de proporcionar uma atmosfera favorvel para lanar um homem ao espao e, por conta disso, organizaes (exemplo NASA) e centros de pesquisas desenvolveram diversos robs com distintas funes de captura de dados e controle de processos. Nesse contexto o REA foi desenvolvido com a simples finalidade de coletar informaes e efetuar anlises simplificadas de materiais em planetas onde misses espaciais foram e so executadas. Os primeiros robs desse tipo foram lanados lua aps algumas tentativas de envio de naves mais simples que as atuais (Discovery, 2012). Com isso a coleta de informaes foi amplificada e novos estudos surgiram para aperfeioar os sistemas desses robs dando-os muito mais autonomia que seus antecessores. Hoje esses processos atingem os mais altos nveis de excelncia, consequncia da terceira onda, era do conhecimento e da informao, como disse Alvin Toffler (escritor norte-americano) em A Terceira Onda. E fundado nisso, os REAs ganharam novas aplicaes como a explorao de reas pouco povoadas por seres vivos, reconhecimento de ambientes, monitoramento de variveis em plantas industriais, explorao de tumbas arqueolgicas (globo.com, 2010), reas de conflitos (iRobot,2012), reas de risco de morte para seres humanos, monitoramento de escritrios, escolas e hospitais. Segundo o atual diretor da NASA, Charles Bolden, misses utilizando REAs trazem importantes ganhos a cada descobrimento, isso porque esses robs percorrem diversos novos destinos fornecendo preciosas informaes sobre as misses.1 2

Graduando em Engenharia Mecatrnica, Universidade Salvador, Bahia, Brasil. Graduando em Engenharia Mecatrnica, Universidade Salvador, Bahia, Brasil. 3 Graduando em Engenharia Mecatrnica, Universidade Salvador, Bahia, Brasil. 4 Graduando em Engenharia de Computao, Universidade Salvador, Bahia, Brasil.

Empresas como a Merco Shipping, no Rio de Janeiro, produzem exploradores com funes especficas em situaes de ps-exploso e incndios. uma tecnologia pouco usada no Brasil, se considerarmos o primeiro que os EUA patenteou em 1946, o Unimate (Rob Industrial), mas que traz enormes benefcios a toda sociedade. O prottipo Mecabot visa fomentar a ideia de uso de exploradores em plantas industriais, estacionamentos, reas de conflitos urbanos, hospitais, reas ps-acidentes e em reas agrcolas a fim de monitorar processos, explorar os stios e coletar dados. 2. MECABOT

O Mecabot mostrado na Figura (1) um rob explorador de ambientes, possui a principal funo de explorar espaos onde ele possa transitar, isto , ambientes terrestres de difcil acesso as pessoas, seja reas conhecidas ou no. Esse rob possui um conjunto de sensores (CO, GLP, CH4, Umidade do ar, Temperatura, de luminosidade, entre outros) que podem auxiliar o monitoramento de rea com atmosferas que devam ser monitoradas com eficincia e periodicidade. Ele se prope a aperfeioar a coleta de informaes de acordo incremento de sensores especfico para tais finalidades. O Mecabot possui um sistema autnomo de funcionamento que lhe permite tomar decises sobre direes a serem seguidas, isso se deve ao sensor ultrassnico (HC-S04) posicionado sobre o teto do rob. Seu sistema de iluminao funciona de acordo a intensidade da luz no ambiente, caso a luminosidade seja baixa (~ 4,5 lx) o seu sistema de faris acionado instantaneamente atravs de um LDR (Light Dependent Resistors), para possibilitar melhor visualizao do percurso seguido e imagens captadas pela cmera de vdeo wireless acoplada ao brao mecnico fixado, tambm, sobre teto do rob.

Figura 1. Esboo em 3D do Mecabot 2.1. Configurao mecnica O chassi do rob foi projetado e desenvolvido com a finalidade de proteger os sistemas de controle, trao e transmisso de dados, dando maior estabilidade ao rob para sustentar o brao robtico, evitando danos, como possveis colises de corpos estranhos. Ele assemelha-se a um blindado militar. A carenagem e chassi foram moldados em chapa de ao galvanizado de 1,25mm. Isso permite maior robustez e eficiente proteo das partes internas como hardwares e motores do que o polietileno (usado na primeira verso). 2.2. Brao mecnico O Mecabot possui um brao mecnico, para executar movimentos no espao, facilitando a visualizao das imagens geradas pela cmera, e manipular objetos. O brao dotado de 6 graus de liberdade, isto , seis juntas do tipo rotativas (Rosrio, 2005). uma ferramenta auxiliar capaz de coletar pequenas amostras para anlise presencial ou remota (atravs da cmera). Nele acoplada uma cmera de vdeo para transmitir, em tempo real, as imagens. apropriado para manipular a trajetria de visualizao da imagem, sendo capaz de penetrar ambientes, onde o rob (chassi) no entraria, por exemplo, em pequenos furos ou entradas de tubulaes. Esse tipo de rob (brao mecnico) normalmente classificado como articulado pelo fato de possuir juno de toro que permite rotaes, simula o corpo humano e trabalhar em uma regio esfrica, em torno de si prprio. Sua rea de trabalho maior que de outros braos como o do tipo cilndrico, em contrapartida perde rigidez mecnica devido aos longos braos de alavanca gerados quando se movimenta.

2.2.1.

Garra Mecnica

um instrumento de grande importncia para o brao mecnico, ela dotada de dois elementos mecnicos (dedos) para manipular diretamente objetos, simula os dedos: polegar e indicador do ser humano. A Figura (2) mostra o tipo de garra utilizado no projeto, esse modelo facilita a manipulao de diversos objetos com geometria irregulares ou no.

Figura 2. Garra em alumnio 3. SENSORES

So equipamentos que respondem a estmulos fsicos e transmitem o impulso resultante. Esses sensores funcionam como os sentidos do rob, similar as sentidos humanos. Tem a funo de perceber o ambiente e a partir dessa percepo se locomover no espao (para robs inteligentes autnomos). A Tabela (1) mostra as principais informaes sobre os sensores que esto no Mecabot. Tabela 1. Caractersticas bsicas dos sensores e informaes pertinentesSensor DS18B20 MQ4 MQ6 MQ7 RHT03 Elemento Teperatura Metano (CH4) Gs Liq. Petrleo(GLP) Monoxido Carbono(CO) Humidade (%H)/Temperatura Tenso Nominal 3.0~5.5V 5V 5V 5V 3.3V~6.0V Range ~55.0~125V 200~1000 200~10.000 20~2000 0~100/~40~80 Unidade C ppm ppm ppm %/C

3.1. Sensor de ultrassnico um sensor eletroesttico que emite impulsos periodicamente e capta seus ecos resultantes do choque das emisses com os objetos situados em seu campo de ao. A distncia medida pelo tempo de eco (tempo de resposta). Na Figura (3) visualizada a regio de atuao desse tipo de sensor. O HC-S04 utilizado no Mecabot, tem um range que varia entre 0,003m e 5m.

Figura 3. Regio de deteco 3.2. Sensor de luz (LDR) O LDR possui a interessante caracterstica de ser um componente eletrnico cuja resistncia eltrica diminui quando sobre ele incide energia luminosa. Isto possibilita a utilizao deste componente para desenvolver um sensor que ativado (ou desativado) quando sobre ele incidir energia luminosa.

A resistncia do LDR varia de forma inversamente proporcional quantidade de luz incidente sobre ele, isto , enquanto o feixe de luz estiver incidindo, o LDR oferece uma resistncia muito baixa. Quando este feixe cortado, sua resistncia aumenta. (ALVES, Renato. COTTS, Rodrigo. PO JEN, Chen. E BRITTO, Alexandre. Contador de passagem). 3.3. Servo motor Servo motor uma mquina, mecnica ou eletromecnica, que apresenta movimento proporcional a um comando, so dispositivos de malha fechada, isto , recebem um sinal de controle, verificam a posio atual, atuam no sistema indo para a posio desejada. O modelo utilizado no prottipo foi o S3003 da Futaba Product. (WIKIPDIA, 2012). A Tabela (2) mostra todos os detalhes tcnicos referentes ao modelo. Em contraste com os motores contnuos que giram indefinidamente, o eixo dos servos motores possui a liberdade de apenas cerca de 180 graus, mas so precisos quanto posio. Na Figura (4) possvel visualizar a estrutura interna do servo S3003. O perodo de envio de pulsos deve ser de ~20ms, para evitar que o servo perca potncia e apresente trepidao/vibrao excessiva.

Figura 4. Estrutura interna do servo S3003. Tabela 2. Detalhes tcnicos: Servo Motor S3003Control System: +Puls e Width Control 1520us ec Neutral Required Pulse: 3-5 Volt Peak to Peak Square Wave Operating Voltage: 4.8-6.0 Volts Operating Temperature Range: -20 to +60 Degree C Operating Speed (4.8V): 0.23sec/60 degrees at no load Operating Speed (6.0V): 0.19sec/60 degrees at no load Stall Torque (4.8V): 44 oz/in. (3.2kg.cm) Stall Torque (6.0V): 56.8 oz/in. (4.1kg.cm) Operating Angle: 45 Deg. one s ide puls e traveling 400us ec 360 Modifiable: Yes Direction: Counter Clockwis e/Puls e Traveling 1520-1900us ec Current Drain (4.8V): 7.2m A/idle Current Drain (6.0V): 8m A/idle Motor Type: 3 Pole Ferrite Potentiometer Drive: Indirect Drive Bearing Type: Plas tic Bearing Gear Type: All Nylon Gears Connector Wire Length: 12" Dimensions: 1.6" x 0.8"x 1.4" (41 x 20 x 36m m ) Weight: 1.3oz. (37.2g)

3.3.1.

Adaptao do servo motor

Os servos motores utilizados possuem uma faixa de posicionamento de aproximadamente 180 graus. Para serem utilizados como motores de trao das rodas efetuou-se um truncamento nesses servos para girarem a 360 graus. A Figura (5) mostra o processo de alterao da estrutura do servo. O potencimetro foi neutralizado e a engrenagem ajustada para permitir a rotao contnua.

Figura 5. Truncamento do servo motor S3003 4. ELETRNICA E DIAGRAMA DE FUNCIONAMENTO

Para o controle e automao do rob e brao mecnico foram utilizados dois Arduno, um Uno (Atmega168) e um Mega (Atmega 2560). Plataforma de prototipagem eletrnica de hardware livre, com suporte de entrada/sada embutido, uma linguagem de programao padro, na qual tem origem em Wiring, e essencialmente C/C++. atravs dessa linguagem de programao que se cria o firmware e embarca no chip. A Tabela (3) mostra os dados tcnicos bsicos relativos s duas placas. Tabela 3. Dados tcnicos das placas Arduino

4.1 Diagrama de funcionamento Na Figura (6) mostrado o diagrama genrico de funcionamento. Atravs dele possvel visualizar dois mtodos independentes de transmisso de dados: Um para troca de dados entre rob e computador e outro utilizado pela cmera de vdeo. A princpio, optou-se separar essas transmisses visando amenizar interferncias, rudos e latncia. O firmware, programao embarcada no microcontrolador, permite dois modos de operao: um manual e outro autnomo. No primeiro modo se realiza um controle global de superviso do sistema, isto , o usurio possui o controle geral do rob. No segundo modo o rob realiza a sequncia de instrues definidas no firmware durante seu funcionamento. Alguns elementos e funes definem o firmware embarcado no chip: - Comandos de movimentos; - Comandos para atuadores e sensores; - Comunicao e processamento de dados; - Comandos no modo manual e autnomo. A cmera de vdeo tem como principais caractersticas: Foco ajustvel, resoluo de 380 linhas, ngulo de vista horizontal de 54 graus, corrente nominal de 200mA, potncia de 200mWatt, frequncia de 2.5GHz e alcance de 30 metros. Possui um driver com conversor RCA-USB que permite o envio de dados para o computador atravs da porta USB.

Figura 6. Diagrama genrico de funcionamento 5. COMUNICAO E INTERFACE

Para enviar e receber os dados obtidos atravs das leituras dos sensores foi utilizado dois mdulos Xbee PRO S2. Esses mdulos utilizam o protocolo ZIGBEE que uma tecnologia global desenvolvida para atender aos requisitos especficos, como baixo custo e consumo de energia, presente em redes de sensores sem fio. O padro se beneficia da especificao para rdio frequncia IEEE 802.15.4 e opera em bandas que no requerem licena no mundo todo para transmisso de dados nas frequncias de 2.400 a 2.484GHz, 902 a 928MHz e 868.0 a 868.6MHz. (DIGI, 2008). A interface grfica o ambiente de interao entre homem-mquina (IHM), onde possvel visualizar as imagens captadas pela cmera e dados de sensores em tempo real, respeitando a deadline da aplicao. O ambiente de interao chamado de Mecabotcontroller, Figura (7), foi desenvolvido a partir do software Microsoft Visual Basic, baseada na linguagem de programao Basic. A estrutura de programao, assim como o Java, incorpora os conceitos de orientao a objetos, consistindo na combinao de janelas, cones, botes e menus.

Figura 7. Interface Mecabotcontroller

6.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente ao nosso criador, sem ele talvez no estivssemos aqui e reunidos nesse grupo. A todos nossos professores da UNIFACS, que souberam ser profissionais nos momentos que mais precisamos. Ficam nossos sentimentos de gratido em especial aos nossos professores orientadores: Ms. Danilo Rodrigues Csar, Ms. Srgio Ricardo Xavier da Silva e Ms. Marcelo Machado Cad. Aos tcnicos dos laboratrios: Jadson Sampaio e Adauto Silva pela fora que nos deram durante todo o processo de construo do prottipo e ao nosso amigo Eng. Jos Otvio Pereira pelo fornecimento de material de estudo. 7. CONCLUSO

O objetivo deste artigo foi expor os principais detalhes construtivos e funcionais do Rob Explorador de Ambientes (Mecabot), mostrando sua importncia para a sociedade e, principalmente, para a indstria. Apresentando-o como um auxiliar nos servios de explorao e monitoramento. O projeto proporcionou equipe o aprimoramento de tcnicas de mecnica, computao e eletrnica, uso de novas tecnologias como o protocolo ZIGBEE, comunicao wireless e novas linguagens de programao. um projeto que pretende, no futuro, ser uma ferramenta acessvel a todos, dando mais conforto no que diz respeito a monitoramento e explorao de ambientes. H propostas de novas configuraes para, tambm, ser uma ferramenta auxiliar nas inspees de tubulaes em geral. Sendo assim, espera-se que, o Mecabot se torne uma multiferramenta capaz de adaptar-se a uma gama de ambiente e desenvolver suas tarefas com o mximo de confiabilidade e preciso, otimizando o tempo e melhorando a qualidade de vida no ambiente profissional. 8. REFERNCIAS

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EXPLORER ROBOT MECABOTlvaro Pereira Peixoto peixotoreboucas@gmail.com Carla Mauricio Gasparetto cmgasparetto@hotmail.com Rodrigo caro Pereira Vras icarodrigo@hotmail.com Roger Xavier de Jesus Costa rogerrchp@hotmail.com 1Universidade Salvador (UNIFACS) Rua Vieira Lopes, n. 2 - Rio Vermelho, CEP: 41.940-560 - Salvador Bahia Brasil Abstract: The study, the development and utilization of explorers robots are growing worldwide and their applications are the most diverse. Since the use in space missions to patients monitoring in hospitals, these robots work with great precision and are available for insertion of various devices for simultaneous monitoring. In this context, the technology applied and the type of programming makes all the difference. This article provides information about MECABOT, developed for the interdisciplinary program, ARHTE, (Archimedes, Robert Hooke and Thomas Edison) from University of Salvador. The Methods, electronic components and mechanics used by students to develop the prototype are discussed in this article. There is also an approach of the main points of the project, so the reader can follow and understand the high relevance aspects of this robot. Keywords: Environment, Explorer, Robot.