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Trabalho realizado com o incentivo e fomento da Anhanguera Educacional

Walldemar T. Carvalho Jr.

Professora Orientadora: Ms. Giselle Cristina Cardoso

Curso: Ciência da Computação

FACULDADE ANHANGUERA DE CAMPINAS - UNIDADE 4

Trabalho apresentado no Encontro Interno do PIC - 2009.

BRAÇO MECÂNICO: SOFTWARE CONTROLADOR

ANUÁRIO DA PRODUÇÃO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DISCENTE

Vol. XII, Nº. 15, Ano 2009

RESUMO

Este trabalho apresenta a construção de um braço mecânico e tem como objetivo a pesquisa do meio de comunicação para manipulação e movimentação de objetos. Para tal meta devem ser definidos quais e quantos motores serão necessários, quantas voltas serão necessárias para que estes motores movimentem algum dispositivo mecânico até se posicionar corretamente sobre o objeto, e assim com as demais articulações. O braço mecânico possui várias destas articulações, com geometrias lineares, porém combinadas que podem trafegar em um espaço tridimensional. A construção dos dispositivos mecânicos é um desafio a ser transposto, pois auxiliam este trabalho a ser o mais simples e objetivo possível. Outro item importante é o desenvolvimento do programa para esta manipulação. Os componentes eletrônicos também foram criados, levando em consideração o desenvolvimento do circuito e sua correta manipulação.

Palavras-Chave: braço mecânico; mão mecânica; controlado por computador; software controlador.

329 Publicação: 3 de fevereiro de 2011

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1. INTRODUÇÃO

Em um mundo cada vez mais virtual, onde grande parte das máquinas é controlada por

algum tipo de software, a perspectiva é em desenvolver tecnologia conforme a demanda

da evolução, colocando o país o mais próximo possível de toda pesquisa científica neste

setor. A motivação para a criação de um braço mecânico controlado é a de desenvolver

esta tecnologia, que possa ser aplicada e ampliada com facilidade para movimentações de

objetos de modo bem preciso.

Esta pesquisa deu início pela necessidade de empresas nacionais não dominarem

muito esta tecnologia de construção de braços robotizados, bem como quase todo

equipamento estrangeiro possui controle através de algum software.

Através do controle sobre este dispositivo com o objetivo de movimentar objetos,

esta pesquisa apresenta a aplicação em toda e qualquer área onde uma ação repetitiva é

executada, com o intuito de melhorar esta tarefa a respeito da troca do serviço braçal por

um sistema automatizado. Melo (2007) introduziu a pesquisa sobre controle de um braço

através de um mouse, este trabalho visa diversificar este controle no que tange a precisão

de movimentos, pois a precisão dos motores de passo nos dá uma segurança maior

quanto à repetibilidade dos movimentos.

O sistema de trabalho de um motor de passo permite que o momento de parada

seja muito preciso, pois as bobinas internas conseguem precisão de 1,8º em seu eixo, como

está trabalhando com uma redução na ordem de 5:1, esta precisão é aumentada para 0,36º,

ou seja, em uma única volta, é possível fazer uma divisão de 1/1000, sendo desta maneira

que a repetibilidade torna-se altamente confiável.

Segundo Craig (2006),

A história da automatização está caracterizada por períodos de trocas bruscas nos métodos de produção populares. E tem como causa, ou talvez, como efeito, estes períodos de trocas das técnicas de automação parecem estar estritamente ligadas com a economia mundial... Estas tecnologias estão levando a automatização industrial para uma outra transformação, cujo alcance se desconhece ainda.

Ou seja, a pesquisa sobre movimentos de braço mecânicos, seja para alguma

tarefa especifica, seja para substituição de trabalho braçal, é uma tendência mundial

alavancada pela busca cada vez mais frenética pela produtividade. Um trabalhador em

uma linha de produção tem a função de trocar as peças de uma máquina, o tempo de

troca é de 2 minutos entre a retirada da peça feita e a colocação da peça a ser feita com

total atenção para esta tarefa, porém muitas são as variáveis para o seu trabalho ser

executado, tais como a atenção na parada da máquina, a produtividade (em média é de

65% do tempo trabalhado é produtivo), as paradas para almoço, banheiro, conversas,

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distração diversas etc. Já com um braço mecânico, o tempo de setup é sempre o mesmo, e

mais rápido que um trabalhador braçal, em torno de 50 segundos, não importando quanto

tempo este braço está em operação, o tempo de setup é sempre o mesmo, além de não

provocar lesão por esforço repetitivo (LER), comuns neste tipo de trabalho.

O objetivo desta pesquisa é elaborar um método para movimentação de objetos

através do controle de um braço mecânico.

Para a construção deste braço mecânico utilizam-se quatro motores de passo

(motores com vários campos de bobinas interno que aumentam a precisão dos

movimentos do seu eixo principal, com um alto torque de acionamento) (FITZGERALD,

2006), peças confeccionadas em alumínio, por ser leve e não oxidante, um circuito

eletrônico (ligação de vários elementos eletrônicos para um determinado fim)

(FITZGERALD, 2006) e um software, que controle a execução das tarefas.

Este artigo está organizado em seções. A segunda seção apresenta os objetivos da

pesquisa. A metodologia utilizada na realização da pesquisa é apresentada na seção 3. As

informações relacionadas ao desenvolvimento da pesquisa como a revisão de literatura, o

problema abordado, a solução proposta e implementada são mostradas na seção 4. A

forma de abordar os experimentos, os resultados e as discussões são descritos na seção 5.

Por fim, as considerações finais estão são apresentadas na seção 6.

2. OBJETIVO

O objetivo dessa pesquisa é controlar o braço mecânicos através de um software de forma

completa, movimentando todas as suas articulações, com este objetivo faz-se necessário

construir o braço mecânico para demonstrar este controle. Para o controle também se faz

necessário produzir programas de maneira que o braço realize tarefas de posicionamento

de objetos de forma ordenada.

A construção de um braço mecânico tem o objetivo de demonstrar esta pesquisa

de forma tangível, de forma visível e de forma prática, e tornar fácil o acesso ao método

desenvolvido através da apresentação dos resultados encontrados.

3. METODOLOGIA

O método adotado para esta pesquisa foi o desenvolvimento do braço mecânico,

definindo em principio os motores a serem utilizados, pois deles partem as dimensões da


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estrutura do braço mecânico e o modo de controle, devido à quantidade de fios que o

motor de passo possui.

Após a definição dos motores, passou-se então para o projeto e confecções da

estrutura, composta de peças tais como: base, coluna, braço, carro, mão e garra, conforme

a Figura 1.

Terminada esta fase, passou-se a produção do circuito que movimentaria o braço

como um todo, aquisição dos componentes, planejamento e projeto do mesmo e sua

execução. O método adotado para a programação foi um driver para controle via porta

paralela.

Após definido o circuito, criou-se e introduziu-se o programa para a efetiva

movimentação das articulações do braço, vários testes de programas foram feitos até

delimitar limites e controle de todas as articulações.

Durante todo o processo houve um planejamento de interação entre todas as

partes para não se chegar a um momento em que as “partes” não se relacionariam.

Teoricamente, abriu-se um leque para diversas aplicações no campo da robótica,

pois com o controle efetivo de um dispositivo mecânico através de um programa, e

conhecendo a maneira como os mesmos se comunicam, podemos implementar programa

de várias maneiras para diversos objetivos.

4. DESENVOLVIMENTO

Esta pesquisa se iniciou pela determinação dos motores de passo, devido o seu tamanho e

o modo de controle, que neste caso é de seis fios. Após a determinação dos motores a

serem utilizados foi determinado o tamanho da estrutura, sendo a mesma composta por

uma base de apoio conforme Figura 1, nesta base foi fixada uma coluna cilíndrica, de

maneira que sua parte interna pudesse alojar rolamentos para a fixação do braço em si,

estes rolamentos permitirão que o braço fique perfeitamente firme, porém proporcionou

total movimentação sem esforço.

A ciência tem modificado nossa visão do mundo e, ao que tudo indica mais mudanças radicais estão por vir. A tecnologia tem adentrado mais e mais em nossos lares causando uma profunda modificação nas tarefas mais rotineiras; hodiernamente os meios de comunicação, principalmente, sofreram inovações absolutamente impensáveis há décadas atrás. O advento do micro-computador, da internet, os avanços verificados em robótica, automação, e as aplicações na medicina, economia, meio ambiente, e mesmo no comércio (dito virtual) são alguns dos exemplos. (ABE, 2002)


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Na Figura 1 fica ilustrada a maneira como os rolamentos foram fixados. Projetou-

se a porca de fixação dos rolamentos, de maneira que ela também comporta o

acoplamento e suporte de um motor, motor este que faz movimentação primária.

Um fato interessante a ser destacado neste projeto, é que na grande maioria dos

braços mecânicos, o motor primário tem que ser forte o suficiente para agüentar toda a

estrutura do braço a partir dele, ou faz-se uma redução muito grande para se produzir tal

força, tornado o movimento muitas vezes lento. Em nossa estrutura este problema foi

resolvido depositando o peso da estrutura nos rolamentos que por sua vez estão alojados

na coluna da base, deixando o motor com a finalidade única de posicionamento, quase

sem esforço.

Mesmo assim existe uma redução, pois a polia (peça pela qual é feito o

acionamento via correias (CUNHA, 2003, p. 387), exemplo polia de motor de automóvel)

do motor é 5 vezes menor que a polia do braço, garantindo o torque (força que tende a

rodar ou virar objetos) (FITZGERALD, 2006), porém sem perder velocidade.

O braço é composto de um guia que é o próprio braço. Seu comprimento alcança

toda a extensão da base, podendo ser posicionado em qualquer local sobre a mesma. Entre

o braço e o eixo foi colocada uma polia, acionada pelo motor primário, e ainda um suporte

para o segundo motor. Sobre o braço, desliza um carro, peça também fabricada em

alumínio e em sua estrutura abriga vários rolamentos de tamanhos pequenos, permitindo

que o carro deslize suavemente sobre o braço. Aqui também a geometria da peça permitiu

que todo o peso fosse transferido para o braço e conseqüentemente, para os rolamentos da

coluna, ficando o motor secundário com a função apenas de posicioná-lo em qualquer

ponto do braço de maneira precisa. A mão é fixada ao carro e é articulada por um terceiro

motor, que tem a função de trabalho no sentido vertical, levantando e abaixando a garra

para a manipulação dos objetos.


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Figura 1 – Projeto do braço.

Utilizou-se o linguagem “C” para o controle dos motores de passo via porta

paralela, por ser mais simples a comunicação com o circuito, e deixando a parte de

programação mais livre para atuação, livre no sentido de facilidade de ajustagem de

posicionamento, pois com pulsos na pinagem da porta paralela é possível acionar os

motores.


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Figura 2 – Código de controle da porta paralela.


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Figura 3 – Componentes do circuito.

Na Figura 3, para cada pulso elétrico da saída do pino da porta paralela,

conseguimos um pulso de volta no motor, este pulso representa 1,8° de volta, com isto

conseguimos uma precisão bem ajustada para qualquer posicionamento na base de

operação do braço mecânico.

5. RESULTADOS

O resultado obtido com a construção do braço mecânico obteve comportamento e

desenvoltura conforme o previsto, ainda que muitas adaptações tivessem ocorrido

durante o projeto. O controle sobre o braço de forma completa foi alcançado, limitando-se

apenas pela parte mecânica. Através do programa, muda-se a quantidade de voltas do

motor, posicionando o braço no local devido para a correta manipulação dos objetos. O

programa é de fácil manuseio, podendo mudar a tarefa com certa facilidade.


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Figura 4 – Braço mecânico pronto.

Abriram-se novos horizontes para uma manipulação mais “inteligente”, mesmo

em dispositivos aparentemente simples, mas que tem grande potencial de programação,

pois pode obter entradas, que seriam processadas para tomadas de decisões.

Movimentos repetitivos humanos podem e devem ser substituídos por braços

mecânicos em determinadas tarefas, melhorando o bem estar do homem, dispositivos

estes que apenas utilizaram de maneira mais adequada o potencial que existia através da

correta programação dos mesmos.

Figura 5 – Braço mecânico – Detalhe do motor do carro.

Abre-se um novo leque para a correta manipulação entre máquinas e programas,

e capacita, através de pesquisa, o profissional da computação frente a área mecânica, por

experiência em campo, profissional este que uniria dois mundos, melhorando

performance de equipamentos pelo fato de conhecer uma maneira mais precisa de

manipulá-lo.


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6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com o resultado desta pesquisa, conseguiu-se traçar uma linha de comunicação entre

hardware e software de modo simples, porém bem estruturado. O objetivo foi alcançado

com êxito. Espera-se introduzir alguma inteligência artificial na movimentação do braço

mecânico num futuro bem próximo, visto que as etapas de construção física já estão

desenvolvidas, ficando um novo horizonte aberto na área de programação para esta

finalidade.

Obteve-se o controle esperado do braço com movimentos em todas as suas

articulações, formando uma linha de comunicação poderosa, sendo limitada apenas pela

imaginação.

REFERÊNCIAS

ABE, Jair M. Introdução a lógica para a ciência da computação. Contra-capa, Editora Arte & Ciência, 2002. ISBN 8574730459, 9788574730455.

CRAIG, John J. Robótica. Cap. 1 seção 1.1, Editora Pearson-Educatión, 2006. ISBN 9702607728, 9789702607724.

CUNHA, Lauro; CRAVENCO, Marcelo. Manual prático do mecânico. São Paulo: Hemus, 2003, ISBN 85-289-0506-3.

FITZGERALD, A.E. Máquinas Elétricas. São Paulo: Artmed Editora, 2006, ISBN 007-3660094.

MELO, Rafhael da S. Braço mecânico controlado via mouse. Anuário da Produção de Iniciação Científica Discente, Valinhos-SP, 2007.

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