construÇÃo de uma plataforma robÓtica de … · enfoque posteriormente como trabalho de base...

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2017

CONSTRUÇÃO DE UMA PLATAFORMA ROBÓTICA

DE STEWART

Trabalho de Conclusão de Curso de graduação apresentado a Pontifícia

Universidade Católica do Rio Grande do Sul como requisito parcial para a

obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Aluno: João Berlese Oliveira Gindri Martins Orientador: Prof. Dr. Aurélio Tergolina Salton

2

Agradeço a todos, sem exceção.

Obrigado

3

Sumário

Resumo ............................................................................................................................. 5

1 Introdução Geral ....................................................................................................... 6

1.1 Introdução .......................................................................................................... 6

1.2 Descrição do problema ...................................................................................... 8

1.3 Descrição da proposta ....................................................................................... 9

1.4 Principais objetivos .......................................................................................... 10

2.0 Referencial Teórico .............................................................................................. 11

2.1 Manipuladores Paralelos ................................................................................. 11

2.2 Manipulador Plataforma de Stewart ............................................................... 12

2.3 Geometria da Plataforma de Stewart .............................................................. 13

2.4 Coordenadas no espaço de trabalho e de juntas ............................................ 16

2.5 Matriz de Rotação ............................................................................................ 17

2.6 Cinemática Inversa ........................................................................................... 18

3 Metodologia ............................................................................................................ 20

3.1 Introdução ........................................................................................................ 20

3.2 Simulação e Dimensionamento ....................................................................... 21

3.3 Modelagem Mecânica ..................................................................................... 24

3.3.1 Atuador Elétrico Linear........................................................................................ 25

3.3.2 Conjunto Plataforma de Stewart......................................................................... 32

3.4 Eletrônica ......................................................................................................... 35

3.4.1 Barramento de comunicação (RS-485) ............................................................... 37

3.4.2 Slave .................................................................................................................... 39

3.4.3 Montagem ........................................................................................................... 44

3.5 Programação e Controle .................................................................................. 45

3.5.1 Programação ....................................................................................................... 45

3.5.2 Controle ............................................................................................................... 46

4 Resultados Experimentais ....................................................................................... 47

4.1 Mecânica .......................................................................................................... 47

4.2 Hardware e eletrônica ..................................................................................... 50

4

4.3 Firmware e Controle ........................................................................................ 52

5 Conclusão ................................................................................................................ 54

Bibliografia ...................................................................................................................... 55

Apêndice ......................................................................................................................... 56

5

Resumo

A plataforma de Stewart é um dos mais comuns gêneros de manipuladores

paralelos, possuindo seis atuadores lineares e igualmente seis graus de liberdade de

movimentação. Apresentando superioridade em precisão e capacidade de carga quando

comparada com modelos robóticos com mecanismos seriais. Neste contexto, o presente

trabalho estuda, simula, modela e executa a criação deste manipulador paralelo. Tendo

enfoque posteriormente como trabalho de base para futuros projetos na área de pós-

graduação em Engenharia de Controle e Automação, estruturando os primeiros passos

para um amplo estudo sobre as possíveis e mais adequadas formas de se controlar tal

manipulador. Atendo-se principalmente a construção mecânica, desenvolvimento de

hardware e firmware de base. Fazendo com que projetos posteriores venham a

trabalhar de forma mais “limpa e alto nível”, focando devidamente em suas aplicações.

Visando sempre facilitar a sua construção através das peças fornecidas em mercado

local, sendo toda a plataforma confeccionada com material disponível em âmbito

nacional.

Palavras-chave: Plataforma Stewart, Robótica, Automação, Modelagem, Manipulador

Paralelo.

6

1 Introdução Geral

1.1 Introdução

A Plataforma de Stewart, nomeada desta forma devido seu criador [1], é um atuador paralelo

atuador paralelo [2], pois possui seis atuadores lineares [3] trabalhando paralelamente, conforme

Figura 1. Onde os movimentos conjuntos e sincronizados de tais mecanismos

posicionam a estrutura que se situa no topo da plataforma.

Figura 1: Plataforma Robótica de Stewart [13].

Tal manipulador paralelo apresenta diversas vantagens quando equiparado com

atuadores seriais, sendo elas, rigidez estrutural elevada, alta precisão de

posicionamento e capacidade de carga elevada quando equiparado ao torque relativo

exigido ao motor [3] [4]. Tais motivos em conjunto com os seis graus de liberdade [5],

7

derivados da topologia de atuador paralelo adotada, fazem da Plataforma de Stewart

um excelente simulador de voo ou de movimentos de alta precisão em geral.

Com base nestes fatores, o presente trabalho propõe-se a realizar a construção

de tal simulador de movimentos, tendo enfoque no uso acadêmico em loco da

Universidade. Para o desenvolvimento de tal protótipo robótico será efetuado um

estudo abordando a geometria e a cinemática envolvida, além de simulação e

modelagem de todos os mecanismos necessários.

Para tal, o presente trabalho fora dividido em quatro partes principais: No item

Introdução Geral será descrito o problema escolhido para ser estudado, o teor da

proposta e as principais contribuições do presente trabalho. Posteriormente um

referencial teórico será apresentado, trazendo embasamento ao projeto. Em

Metodologia, descreve-se a metodologia utilizada na realização do presente trabalho e

as ferramentas de desenvolvimento utilizadas na sua elaboração. Na seção Resultados

Experimentais apresenta-se o protótipo construído e os resultados experimentais

obtidos.

Ao final deste trabalho serão apresentadas uma conclusão e uma referência

bibliográfica detalhada.

8

1.2 Descrição do problema

O desenvolvimento deste Trabalho de Conclusão de Curso está associado a um

projeto de pesquisa a cargo do GACS – Grupo de Automação e Controle de Sistemas da

PUCRS, o qual consiste no desenvolvimento de mecanismos para estudo e aplicação do

estado da arte em técnicas de controle.

Atualmente, alguns projetos envolvendo a Plataforma de Stewart já haviam sido

realizados dentro da Universidade, contudo, os mecanismos envolvidos eram

consideravelmente simples, visando em grande parte somente a visualização da teoria

na prática, mas ficando limitado a pequenos ensaios, conforme a Figura 2.

Figura 2: Protótipo com servo motores e acrílico de uma Plataforma de Stewart.

Tendo em mente que a demanda para com protótipos mais robustos era algo de

suma necessidade, e que para real testabilidade dos algoritmos produzidos em loco o

meio para tal não poderia ser defectivo, tal como era até então. Fez-se necessário novos

e melhores protótipos robóticos.

9

1.3 Descrição da proposta

É importante frisar que este Trabalho de Conclusão faz parte de um projeto mais

amplo, que tem como foco objetivos fora do escopo do mesmo, mas de vital importância

para o funcionamento total dentro de seu nicho institucional.

Neste contexto, o presente trabalho tem como proposta principal o

desenvolvimento completo de uma Plataforma Robótica de Stewart, o qual deve ser

capaz de ser posteriormente controlado de forma totalmente independente de detalhes

menores relacionados ao processo para sua construção estrutural. Tendo foco em um

modelo de aplicação industrial.

Para atingir a proposta principal, foram definidos os seguintes objetivos

específicos:

Levantamento dos dados necessários a respeito da geometria e cinemática.

Simulação e especificações dimensionais.

Dimensionamento e especificações técnicas dos recursos.

Modelagem mecânica do Atuador Linear.

Desenvolvimento do Atuador Linear.

Modelagem mecânica da Plataforma de Stewart utilizando os Atuadores

Lineares previamente produzidos.

Desenvolvimento da Plataforma de Stewart.

Modelagem da eletrônica envolvida, bem como drivers, controladores,

barramento de comunicações, sistema de alimentação e afins.

Desenvolvimento da eletrônica.

Programação e desenvolvimento do firmware.

10

1.4 Principais objetivos

O objetivo direto deste trabalho é a produção de um mecanismo robótico.

Contudo, acima da criação de um autômato se dá a necessidade por parte do autor da

criação de uma peça no estado da arte da Engenharia Mecatrônica, ultrapassando

barreiras a respeito de protótipos robóticos criados dentro da Academia. Visando a

perfeição no que condiz a funcionamento, design, portabilidade e acabamento.

Tal projeto tenta demonstrar a possibilidade de proximidade entre a

Indústria/Mercado e a Academia, trazendo de forma palpável e real resultados

significativos, mesmo com orçamento reduzido e demandas acadêmicas. Quer-se assim,

demonstrar que as ações dos indivíduos dentro deste nicho não precisão beirar somente

o esotérico, que é possível ser prático, funcional e aplicável.

Para atingir tais objetivos, foi traçado os seguintes objetivos alvos:

Produção de uma peça no estado da arte da engenharia, ficando para posterior

usufruto da entidade Acadêmica.

Dar o exemplo e incentivar a produção qualificada de protótipos robóticos.

Construir, literalmente, uma plataforma de desenvolvimento contínuo, visando

criar degraus para que outros possam ascender.

Produção de material e metodologias através de documentação de todo o

processo.

11

2.0 Referencial Teórico

2.1 Manipuladores Paralelos

Para fundamentar o estudo dos Manipuladores Paralelos é importante introduzir

os principais conceitos relativos às estruturas cinemáticas abertas e fechadas.

Sendo as estruturas cinemáticas abertas compostas de elos binários [6], o que

significa que estes elos podem ser ligados apenas a outros dois elos, sendo o elo base e

o final ligados a um único elo, formando assim, uma cadeia aberta, conforme a Figura 3.

Figura 3: Estrutura cinemática aberta [7].

No caso das estruturas cinemáticas fechadas, o arranjo de elos é tal que existe

pelo menos um laço fechado, resultando em uma cadeia fechada, conforme a Figura 4.

Vale frisar, que os graus de liberdade relativos aos deslocamentos das juntas inferiores

(que tocam a base) estão restringidos, caracterizando um efeito semelhante ao da

existência de um elo entre essas juntas.

Figura 4: Estrutura cinemática fechada [7].

De forma geral, um Manipulador Paralelo é um mecanismo de cadeia cinemática

fechada, cujo elemento efetuador está ligado à base através de várias cadeias

cinemáticas independentes [2].

12

2.2 Manipulador Plataforma de Stewart

Conforme já comentado o Manipulador Plataforma de Stewart é um mecanismo

de 6 graus de liberdade (três graus de translação e três graus de orientação angular)

composto por uma região superior, denominada plataforma móvel, uma região inferior,

denominada base fixa, e por 6 atuadores lineares, os quais conectam a plataforma

móvel com a base fixa [7]. Na Figura 5, é apresentada uma arquitetura generalista do

Manipulador Plataforma de Stewart ou simplesmente Plataforma de Stewart[8].

Figura 5: Configuração genérica de uma Plataforma de Stewart [7].

O Manipulador Plataforma de Stewart, por ser um robô do tipo paralelo [8],

apresenta diversas vantagens, tais como, rigidez mecânica, elevada precisão e baixa

demanda de torque em relação a carga empregada sobre a plataforma móvel [2] [4],

conforme já citado. O tipo de junta usada, inferior e superior, não introduz esforços de

flexão nas mesmas, pois impõe unicamente restrições de deslocamentos. Isto, somado

ao fato que o peso da carga é distribuído, permite minimizar a rigidez estrutural dos

atuadores, minimizando a potência e o tamanho necessário para os mesmos.

Devido às supracitadas vantagens, a Plataforma de Stewart pode ser utilizada em

uma grande variedade de aplicações e áreas, tais como indústria manufatureira,

espacial, naval, civil, além de aplicações em entretenimento e na área médica.

13

2.3 Geometria da Plataforma de Stewart

Os sistemas de referência a partir dos quais as coordenadas serão descritas

matematicamente são definidos como sistema de referência “inercial” (𝐵), situado no

centroide da base fixa, e o sistema de referência “móvel” (𝑃), fixado no centroide da

plataforma móvel. Na Figura 6 são apresentadas as representações gráficas dos sistemas

de referência [7] [9].

Figura 6: Sistema de referências usado na Plataforma de Stewart [7].

Os pontos das juntas inferiores com respeito ao sistema inercial são

denominados 𝐵𝑖 , onde o subscrito “𝑖” especifica o número do atuador. Os pontos das

juntas superiores são designados como 𝑃𝑖 , sendo estes definidos com respeito ao

sistema móvel (plataforma) e não ao inercial (base), para obter suas coordenadas no

sistema inercial deve ser aplicada uma transformação matemática por meio de matrizes

de rotação. Este processo de transformação será explicado posteriormente.

Os pontos 𝐵𝑖 e 𝑃𝑖

são escolhidos de forma que eles configuram vértices de

polígonos hexagonais inscritos em circunferências de raios 𝑟𝑏 e 𝑟𝑝 que definem a

geometria da base e da plataforma móvel, conforme Figura 8 e Figura 7,

respectivamente.

14

Para calcular as coordenadas dos vetores 𝐵𝑖 e 𝑃𝑖

, definem-se os ângulos 𝜑𝑏 e 𝜑𝑝,

conforme apresentado na Figura 8 e Figura 7, respectivamente.

Considerando que os pontos de conexão dos atuadores são arranjados em pares,

com intervalos de 120° ao redor dos círculos, que representam a plataforma móvel e a

base [9] [10], pode-se escrever as equações das coordenadas dos pontos 𝐵𝑖 como:

𝐵𝑖 = [

𝑟𝑏 . cos(𝜆𝑖)𝑟𝑏 . sin(𝜆𝑖)

0

]

𝜆𝑖 =𝑖𝜋

3−

𝜑𝑏

2𝑝𝑎𝑟𝑎𝑖 = 1, 3, 5;

𝜆𝑖 = 𝜆𝑖−1 + 𝜑𝑏𝑝𝑎𝑟𝑎𝑖 = 2, 4, 6;

Analogamente, as coordenadas das juntas superiores 𝑃𝑖 são:

𝑃𝑖 = [

𝑟𝑝. cos(𝜗𝑖)

𝑟𝑝. sin(𝜗𝑖)

0

]

𝜗𝑖 =𝑖𝜋

3−

𝜑𝑝

2𝑝𝑎𝑟𝑎𝑖 = 1, 3, 5;

𝜗𝑖 = 𝜗𝑖−1 + 𝜑𝑝𝑝𝑎𝑟𝑎𝑖 = 2, 4, 6;

Figura 8: Definição dos pontos das juntas da

base fixa [7].

Figura 7: Definição dos pontos das juntas da

plataforma móvel [7].

15

As variáveis 𝑟𝑏, 𝑟𝑝, 𝜑𝑏, 𝜑𝑝, juntamente ao comprimento do atuador, incluindo

sua variação quando totalmente recolhido e totalmente estendido podem ser

consideradas como parâmetros que definem a estrutura geométrica de uma Plataforma

de Stewart específica. Sendo os valores dos parâmetros geométricos que definem a

Plataforma de Stewart criada neste trabalho de conclusão de curso dispostos na seção

seguinte (3 Metodologia).

16

2.4 Coordenadas no espaço de trabalho e de juntas

As coordenadas dos seis graus de liberdade da Plataforma de Stewart estão

associadas a movimentos lineares e rotacionais de um corpo rígido. Os movimentos

lineares são os longitudinais (surge), laterais (sway), e verticais (heave). Os movimentos

rotacionais são associados aos ângulos de Euler na forma de rolamento (Roll), arfagem

(Pitch) e guinada (Yaw), adotando a sequência de rotações em torno do eixo-x, do eixo-

y, e do eixo-z [7] [11]. Esta sequência foi adotada no presente trabalho para uso nos

equacionamentos da modelagem dinâmica da Plataforma de Stewart.

Deste modo, pode-se definir o vetor de coordenadas no espaço de trabalho, 𝑋,

como o vetor de deslocamento entre o sistema móvel, situado na plataforma móvel, e

o sistema de referência inercial:

𝑋 = [𝑥 𝑦 𝑧 𝛼 𝛽 𝛾]𝑇

Onde, 𝑥 representa o movimento longitudinal, 𝑦 o lateral, 𝑧 o vertical, 𝛼 a

coordenada de ângulos associada ao rolamento, 𝛽 à arfagem e 𝛾 à guinada.

Sendo possível também representar o vetor 𝑋 por meio de:

𝑋 = [𝑡 𝑇 𝛼 𝛽 𝛾]𝑇

Onde, 𝑡 é o vetor de posição da plataforma móvel, definido desde a origem do

sistema de referência inercial até a origem do sistema de referência móvel. A expressão

de 𝑡 é:

𝑡 𝑇 = [𝑥 𝑦 𝑧]

Por outro lado, no espaço de estados das juntas, as coordenadas podem ser

selecionadas como os comprimentos 𝐿 de cada atuador linear. Assim, o vetor de

coordenadas no espaço de juntas, 𝑞, pode ser definido como:

𝑞 = [𝐿1 𝐿2 𝐿3 𝐿4 𝐿5 𝐿6]𝑇

17

2.5 Matriz de Rotação

A matriz de rotação determinada a partir de rotações sucessivas nos eixos 𝑥, 𝑦,

e 𝑧, que correspondem aos ângulos 𝛼, 𝛽 e 𝛾, respectivamente, é denominada matriz de

orientação. Assim, denomina-se a matriz de transformação das coordenas com respeito

ao sistema móvel para o sistema inercial como matriz de orientação 𝑅𝑃𝐵, sendo ela a

seguinte:

𝑅𝑃𝐵 = 𝑅𝑥(𝛼). 𝑅𝑦(𝛽). 𝑅𝑧(𝛾)

Onde, 𝑅𝑥(𝛼), 𝑅𝑦(𝛽), 𝑅𝑧(𝛾) são as matrizes de rotação em torno dos eixos 𝑥, 𝑦,

e 𝑧 respectivamente, as quais podem ser expressas como:

𝑅𝑥(𝛼) = [

1 0 00 cos(𝛼) −sin(𝛼)0 sin(𝛼) cos(𝛼)

]

𝑅𝑦(𝛽) = [cos(𝛽) 0 sin(𝛽)

0 1 0−sin(𝛽) 0 cos(𝛽)

]

𝑅𝑧(𝛾) = [cos(𝛾) −sin(𝛾) 0sin(𝛾) cos(𝛾) 0

0 0 1

]

Deste modo, qualquer vetor expresso em coordenadas do sistema de referência

móvel pode ser pré-multiplicado pela matriz 𝑅𝑃𝐵para obter as coordenadas do mesmo

com respeito ao sistema de referência inercial.

18

2.6 Cinemática Inversa

Na robótica, a cinemática inversa ocupa-se do problema de determinar os

valores das variáveis de juntas em termos da posição e orientação do efetuador. No caso

da Plataforma de Stewart, consiste na determinação dos comprimentos dos atuadores

lineares associados a um posicionamento desejado da plataforma móvel [12].

Em aplicações onde o controle do robô é implantado no espaço de juntas, as

trajetórias do efetuador são inicialmente planejadas no espaço de trabalho para,

posteriormente, aplicar o equacionamento da cinemática inversa visando obter a

trajetória em termos das coordenadas de juntas.

A aplicação da cinemática inversa na Plataforma de Stewart resulta em somente

uma única solução possível, derivada da topologia de manipulador paralelo, sendo a

solução do problema direta e associada a uma simples equação vetorial.

Na Figura 9 é apresentada a cadeia vetorial que relaciona o vetor de posição da

plataforma móvel, 𝑡 , com o vetor que representa o comprimento do atuador linear 𝑖, 𝑆 𝑖.

Figura 9: Cadeia vetorial usada na orientação da cinemática inversa [7].

19

A partir das definições apresentadas nas Figura 8 e Figura 7, e as relações mostradas

na Figura 9, é possível chegar à seguinte equação vetorial:

𝑆 𝑖 = (𝑅𝑃𝐵. �� 𝑖) + 𝑡 − 𝐵𝑖

O termo (𝑅𝑃𝐵. �� 𝑖) representa o vetor de posição da junta superior 𝑖 com respeito

ao sistema de referência inercial, pois, como já visto, as coordenadas do vetor �� 𝑖 são

expressas com respeito ao sistema de referência móvel. Os valores de �� 𝑖 e �� 𝑖 são

constantes e dependem do número de atuadores 𝑖, enquanto 𝑡 depende da posição do

centroide da plataforma móvel e a matriz 𝑅𝑃𝐵 depende dos ângulos 𝛼 , 𝛽 e 𝛾 . Desta

forma, 𝑅𝑃𝐵 representa a influência do movimento angular no cálculo do vetor 𝑆 𝑖.

Desta forma os vetores de cada atuador, 𝑆 𝑖, podem ser calculados para qualquer

orientação 𝑋 da plataforma móvel.

Finalmente, é ainda necessário calcular os comprimentos dos atuadores a partir

dos vetores 𝑆 𝑖. Por meio da Figura 9, é possível interpretar que o módulo do vetor 𝑆 𝑖 é

equivalente ao comprimento de cada atuador 𝑖, 𝐿𝑖, portando:

𝐿𝑖 = |𝑆 𝑖|

20

3 Metodologia

3.1 Introdução

Nesta seção será descrita a metodologia proposta, indicando as principais etapas

a serem transpostas. Conforme a Figura 10 demonstra, o fluxograma de ações a serem

tomadas para a concretização da Plataforma de Stewart se inicia através de uma

simulação e dimensionamento da mesma, visando estipular as medidas necessárias para

uma perfeita geometria.

A posteriori, há a modelagem mecânica, visando dar corpo aos mecanismos

necessários para o protótipo, bem como o hardware para gerenciamento do mesmo, e

por fim o firmware, responsável por deixar o Manipulador pronto para receber os

comandos de movimentação externos.

Figura 10: Fluxograma da metodologia.

21

3.2 Simulação e Dimensionamento

Para a criação da Plataforma de Stewart, objetivo deste trabalho, fez-se

necessário uma simulação inicial, visando adequar as proporções mecânicas e visuais à

geometria necessária. Para tal, foi utilizado o software MATLAB©, ambiente onde

realizou-se a programação necessária para a criação do simulador.

Para haver interação com o simulador usou-se um joystick (conforme Figura 11)

em conjunto a força de simulação computacional para se atingir um perfeito ambiente

manipulável e parametrizável. Sendo assim possível movimentar e alterar livremente a

plataforma sujeita ao simulador. Plataforma está regida pelos princípios matemáticos já

descritos na seção anterior.

Figura 11: Joystick utilizado para controlar a plataforma, durante a simulação [Microsoft©].

A utilização do simulador foi necessária devido à complexidade geométrica do

projeto em questão, sendo muito difícil visualizar as limitações cinemáticas empregadas

conforme a variação da estrutura. Assim, fez-se uma simulação dinâmica, havendo

diversos testes com geometrias distintas observando os resultados de movimentação e

limitação, conforme a Figura 12.

22

Figura 12: Ambiente de simulação criado pelo autor.

Após diversas interações foi atingida uma geometria que suplantava as

necessidades, tendo boa desenvoltura em movimentação angular e longitudinal. Sendo

o design presente na Figura 12 o escolhido. Tendo seus parâmetros conforme a Figura

13, a seguir.

Figura 13: parâmetros geométricos da plataforma.

Tais parâmetros foram escolhidos por diversos motivos, muitos deles subjetivos,

mas os mais relevantes são as diferenças entre os diâmetros da base e da plataforma, e

o corpo do atuador. A diferença entre os diâmetros se dá, pois, uma plataforma

23

levemente menor que a base permite uma maior gama de variações angulares, o que

auxilia na simulação de movimentos complexos, enquadrando-se exatamente no perfil

desejado. Já o comprimento do corpo do atuador possui tal medida para poder

comportar o motor que será utilizado, motor este que será melhor abordado na seção

seguinte (3.3 Modelagem Mecânica).

24

3.3 Modelagem Mecânica

Com os dados do simulador em mãos, podemos agora dar vida ao que foi

calculado e dimensionado. Para tal, foi preciso um amplo estudo de mercado, atendo-

se as especificações técnicas necessárias e recursos disponíveis. Após um período inicial

de especulação, percebeu-se, no que condiz a aplicação de Plataformas de Stewart, que

os atuadores utilizados em mercado usufruíam de fluídos, sendo eles ar comprimido ou

óleo (respectivamente atuadores pneumáticos e hidráulicos). Contudo, por limitações

físicas e ou financeiras, tanto quanto por praticidade de controle, foi escolhido um

terceiro tipo, mais palpável a situação de prototipagem, um atuador elétrico.

Com a decisão do tipo de atuador a ser utilizado tomada, procedeu-se para com

a sua aquisição. Percebendo-se no processo que tais atuadores possuíam diversas

limitações, desde escassez no mercado nacional, a problemas de sensoriamento e

movimentação, como ausência de encoders e ou lentidão excessiva.

Unindo todos estes fatores supracitados à existência de motores interessantes

para a aplicação, presentes em loco, e todos os recursos fornecidos pela universidade,

como laboratórios de usinagem e prototipagem. Foi tomada a decisão de confeccionar

os atuadores, e, por conseguinte, a plataforma de Stewart como um todo, dentro da

entidade acadêmica (com raras exceções de serviços externos). Para tal, fez-se

necessário uma modelagem em CAD de tais mecanismos, sendo esta detalhada nas

seções seguintes.

25

3.3.1 Atuador Elétrico Linear

Como já introduzido na seção anterior, devido a uma série de fatores, foi

demandada a modelagem de um “Atuador Elétrico Linear”, ou simplesmente “Atuador”.

Sendo o processo de tomada de decisão para com as peças que estruturam o conjunto

dado da seguinte forma: motor, conjunto de elementos de transmissão, estrutura

metálica, material para usinagem e elementos de máquina.

Vale frisar também, que tal processo de modelagem, foi de extrema

complexidade, de diversas iterações e de longa duração (alguns meses). Está fora do

escopo deste trabalho detalhar tamanho processo, sendo o modelo final, o aqui

presente.

Motor, o motor escolhido fora um Moto DC (da empresa Pololu) presente em

loco, conforme a Figura 14, possuindo as seguintes especificações (sendo os parâmetros

relativos a uma tensão de 12V): caixa de redução de 18.75:1, 500 RPM nominal, encoder

de 64 PPR, 6.0 Kg.cm e 5A em bloqueio.

Figura 14: Motor DC utilizado nos Atuadores [Pololu©].

Conjunto de elementos de transmissão, a transmissão do movimento radial do

motor para um deslocamento axial se deu através do uso de fuso e castanha. Sendo

estes de aço 1045 e bronze, respectivamente, a rosca de formato trapezoidal, passo de

3 mm e diâmetro nominal de 14 mm, conforme Figura 15. Sendo os detalhes de projeto

relativos a tais peças alocados no Apêndice, ao final deste trabalho, peças 1 e 2.

26

Figura 15: Fuso e castanha utilizados.

Estrutura metálica, para que o atuador possuísse rigidez mecânica e ao mesmo

tempo leveza, foi optado por uma estrutura de alumínio tubular, conforme Figura 16 e

em raros casos latão tubular, observar Tabela 1 para um detalhamento mais amplo.

Visando ainda acabamento e design, utilizou-se uma pintura especializada nos tubos

externos de alumínio, denominada anodização, que será demonstrada em mais detalhes

na seção Resultados Experimentais. Sendo os detalhes de projeto relativos a tais peças

alocados no Apêndice, ao final deste trabalho, peças 3, 4, 12 e 14.

Figura 16: Tubos de alumínio utilizados.

Material para usinagem, visando um atuador robusto e de aplicação industrial,

fez-se necessário o processo de modelagem e usinagem de peças para tal, havendo

quase duas dezenas de peças distintas no projeto. Os materiais utilizados foram:

alumínio, poliacetal, bronze e aço 1045, observar Tabela 1, para um detalhamento mais

27

amplo. Sendo os detalhes de projeto relativos a tais peças alocados no Apêndice, ao final

deste trabalho, peças 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17, 18, 19, 20 e 21.

Material Medida

Tarugos de Alumínio

Ø 12,7mm - 6082-T6 1000 mm

Ø 38,1mm - 6082-T6 210 mm

Ø 50,8mm - 6262-T9 500 mm

Ø 57,15mm - 6082-T6 460 mm

Ø 63,5mm - 6082 - T6 350 mm

Tarugos de Poliacetal

Ø 20mm 350 mm

Ø 30mm 180 mm

Tarugos de Bronze

Ø 25,4mm 550 mm

Tarugos de Aço 1045

Ø 25,4mm 850 mm

Tubos de Alumínio

Redondo (50.8 x 3.17mm) 6 m

Redondo (22.22 x 3.17mm) 6 m

Tubos de Latão

Redondo (7,94 x 1mm) 6 m

Tabela 1: Material bruto para confecção e usinagem de um atuador.

Elementos de máquina, findando a lista de peças para o atuador encontram-se

os elementos de máquina, tais elementos possuem as mais diversas aplicações, desde

fixação, acoplamento, retenção, aperto, ausência de fricção, etc. Todos estes elementos

estão citados na Tabela 2, abaixo de “elementos de máquina” e “parafusos”. E podem

ser visualizados a seguir na Figura 17.

Figura 17: Elementos de máquina presentes no conjunto atuador.

28

Com todos os elementos mecânicos constituintes do Atuador devidamente

discriminados e seus devidos dados fornecidos, podemos obter o modelo final de CAD,

conforme Figura 18, onde já se pode visualizar o design escolhido para a anodização do

tubo de alumínio externo (um dourado alaranjado).

Figura 18: Modelo CAD final do Atuador.

Para que o design externo do atuador seja simples e “clean”, seu interior é

altamente compacto e complexo, detendo diversas submontagens. Para melhor ilustrar

todo este intrincado mecanismo elaborou-se duas vistas explodidas do conjunto, uma

da região inferior (região do motor, lado direita da Figura 18) e outra da região superior

(região do fuso e movimentação axial, lado esquerdo da Figura 18), Figura 19 e Figura

20, respectivamente. Sendo os detalhes de projeto relativos a tais peças alocados no

Apêndice, ao final deste trabalho, peças de conjunto em vista explodida.

Também vale frisar que a Tabela 2, que contém todos os componentes

necessários para um Atuador, possui um identificador para cada item, tal identificador

é utilizado nas vistas explodidas facilitando o entendimento do mecanismo.

29

Componente Origem Quant.

Peças usinadas

1 - Fuzo Trapezoidal 14mm Usinagem pronta 1

2 - Castanha trapezoidal 14mm Usinagem pronta 1

3 - Tubo externo (Motor) Tubo de alumínio Ø 50.8 mm 1

4 - Tubo externo (Fuso) Tubo de alumínio Ø 50.8 mm 1

5 - Tampa Inferior (Motor) Tarugo de alum. Ø 57.15 mm 1

6 - Suporte central Tarugo de alum. Ø 57.15 mm 1

7 - Tampa Superior Tarugo de alumínio Ø 50.8 mm 1

8 - Fixador do Motor Tarugo de alumínio Ø 50.8 mm 1

9 - Espaçador M4 Tarugo de alumínio Ø 12.7 mm 3

10 - Suporte Castanha Tarugo de alumínio Ø 50.8 mm 1

11 - Mancal Linear Tarugo de poliacetal Ø 20 mm 1

12 - Tubo Guia Tubo de Latão Ø 7.94 mm 1

13 - Flange do Tubo Atuador Tarugo de alumínio Ø 38.1 mm 1

14 - Tubo Atuador Tubo de alumínio Ø 22.2 mm 1

15 - Mancal do Tubo Atuador Tarugo de poliacetal Ø 30 mm 1

16 - Mancal do Fuso Tarugo de poliacetal Ø 20 mm 1

17 - Fixador do atuador (topo) Tar. de aço 1045 Ø 25.4 mm 1

18 - Fixador do atuador (base) Tar. de aço 1045 Ø 25.4 mm 1

19 - Bucha Rótula (base) Tarugo de bronze Ø 25.4 mm 2

20 - Bucha Rótula (topo) Tarugo de bronze Ø 25.4 mm 2

21 - Flange Rótula Tarugo de alumínio Ø 63.5 mm 2

Elementos de Máquina

A - Rótula 20mm (GE20ES2RS) - 2

B - Rolamento (8x22x7mm) - 2

C - Acoplamento Flexível (6 x 6 mm) - 1

D - Anel de retenção externa 10mm - 2

E - Porca Sextavada baixa M6 - 2

F - Porca Sextavada baixa M8 - 2

Parafusos

P1 - M4 Allen Cab. Abaulada 16mm - 3

P2 - M4 Allen Cab. Cilíndrica 50mm - 3

P3 - M3 Allen Cab. Cilíndrica 25mm - 3

P4 - M3 Allen Cab. Abaulada 10mm - 7

P5 - M3 Allen Cab. Escariada 16mm - 6

P6 - M3 Allen sem Cab. 3mm - 3

P7 - M3 Allen Cab. Escariada 6mm - 12

Peças impressas na 3D

I1 - Espaçador circular p/ o switch - 2

I2 - Capa para o Connector Mike - 1

Peças elétrica

E1 - Conector Mike macho - 1

E2 - Conector Mike fêmea - 1

E3 - Motor DC - 1

E4 - Placa de circuito (fim de curso) - 1

Tabela 2: Componentes para um Conjunto Atuador.

30

Figura 19: Sub-montagem inferior em vista explodida.

31

Figura 20: Sub-montagem superior em vista explodida.

32

3.3.2 Conjunto Plataforma de Stewart

Com a concretização do elemento efetuador, o Atuador Elétrico previamente

disposto, estando este dentro dos parâmetros estipulados pela seção 3.2

Simulação e Dimensionamento, se faz necessária a modelagem do conjunto final

que interliga os seis elementos efetuadores a serem produzidos, ou seja, a modelagem

da Plataforma de Stewart como um todo.

Tal modelagem, tanto quanto a anterior, deve seguir os parâmetros estipulados

através de simulação, conforme Figura 13. Para tal, a seguinte sequência lógica de

criação foi estipulada: base fixa, plataforma móvel e conjunto total (Plataforma de

Stewart).

Base fixa, conforme as definições dos pontos das juntas da base fixa, Figura 8,

igualmente aos parâmetros geométricos definidos, Figura 13, utilizou-se tubos

retangulares de alumínio para a confecção e adequação da base fixa, Figura 21. Observar

também as referências do desenho, tendo os postos de junta perfeitamente

circunscritos em um hexágono adequado. Sendo as três cantoneiras fabricadas através

do processo de corte laser e dobra de chapa, e as peças longitudinais de interligação

fabricadas em loco. Os detalhes de projeto relativo a esta última peça estão alocados no

Apêndice, ao final deste trabalho, peça “Tubo da Base”.

Figura 21: Subconjunto Base fixa (Vista Superior).

33

Plataforma móvel, conforme as definições dos pontos das juntas da plataforma

móvel, Figura 7, igualmente aos parâmetros geométricos definidos, Figura 13, utilizou-

se tubos retangulares de alumínio para a confecção e adequação da plataforma móvel,

Figura 22. Observar também as referências do desenho, tendo os postos de junta

perfeitamente circunscritos em um hexágono adequado. Sendo as três cantoneiras, e as

duas chapas centrais, fabricadas através do processo de corte laser e dobra de chapa, e

as peças longitudinais de interligação fabricadas em loco. Os detalhes de projeto relativo

a esta última peça estão alocados no Apêndice, ao final deste trabalho, peça “Tubo da

Plataforma”.

Figura 22: Subconjunto Plataforma móvel.

Conjunto total, após modelagem em CAD de ambas as terminações, inferior e

superior, base fixa e plataforma móvel, fez-se a interligação de todos os mecanismos

modelados, formando assim o manipulador foco deste trabalho, a Plataforma de

Stewart, Figura 23. Por fim, para melhor portabilidade se confeccionou também uma

plataforma de madeira, situada na região inferior de todo o conjunto.

34

Figura 23: Renderização final, Plataforma de Stewart.

35

3.4 Eletrônica

Para um pleno funcionamento, a Plataforma de Stewart precisa de um sistema

que faça seus mecanismos controláveis, ou seja, que venha a gerir o funcionamento dos

motores, mensurar seus deslocamentos, ater-se aos limites de movimentação,

comunicar-se com um computador, entre outros.

Para tal, idealizou-se a seguinte topologia, conforme Figura 24, cada atuador

possuirá um driver, com a denominação de “slave”, sistema dedicado a gerir todas as

funcionalidades de um único atuador. Cada slave é ligado a um barramento de

comunicação (RS-485), pois obedecem a comandos externos. E por fim, centralizando

todas as informações e também conectado a este barramento um “master”, responsável

por gerir todos os slaves e comunicar-se via USB com o meio externo, objetivando

aplicações futuras para próximos trabalhos.

Figura 24: Representação de todos os sistemas que englobam a eletrônica.

36

Ficando a cargo deste trabalho de conclusão o desenvolvimento dos slaves e

barramento de comunicação. Sendo estes descritos em detalhes nas seções

subsequentes. Para uma avaliação prática, será feito um teste em bancada emulando o

Master, tal teste será melhor detalhado na seção Resultados Experimentais.

37

3.4.1 Barramento de comunicação (RS-485)

O objetivo deste trabalho, como já salientado, é a criação de uma peça no estado

da arte da engenharia, visando um modelo de aplicação industrial. Para tal, foi escolhido

um dos standards em métodos de comunicação utilizados na indústria, a norma RS-485,

conforme Figura 25.

Figura 25: Exemplo de topologia de rede Bus em RS-485.

Como a Figura 25 demonstra, o barramento de RS-485 usufrui de linhas

diferenciais, ou seja, um par de fios trançados (“A” e “B”), possibilitando a comunicação

através da detecção da diferença de potencial dos mesmos, tornando o sistema robusto

e fortemente imune a ruído, observar Figura 26, possibilitando ainda uma alta

velocidade de tráfego de dados.

Figura 26: Exemplo de ruído em um par trançado.

38

Conforme a Figura 26 demonstra, devido a linha de transmissão ser um par

trançado, o ruído que incide sobre o cabeamento acaba por propagar-se igualmente nos

dois fios, gerando um ruído de modo comum. Contudo, como o sistema usufrui da

diferença de potencial nas linhas e não somente do nível de tensão, tal ruído é ignorado.

Tornando tal meio de comunicação excelente para um ambiente ruidoso, no qual se

enquadra o projeto em questão. Lembrando que a norma RS-485 não usufrui somente

do par trançado, cada nó deve possuir o mesmo referencial em relação ao GND, sendo

necessário juntamente a linha de transmissão, tal referencial.

Foi escolhido por motivos de praticidade e limitação de espaço, um sistema half-

duplex através de uma comunicação serial, sendo assim, somente possível transmitir ou

receber, porém, não os dois em conjunto. Sendo o esquemático de ligações finais

utilizado na plataforma conforme a Figura 27.

Figura 27: Esquemático de ligação do barramento RS-485 da Plataforma de Stewart.

39

3.4.2 Slave

Como já salientado, o Slave possui a finalidade de gerir todas as funcionalidades

de um atuador, havendo seis Slaves no total. Suas funcionalidades são as seguintes:

Comunicar-se com o barramento de RS-485, recebendo e enviando dados para

o Master conforme o necessário;

Controlar a posição do Atuador através da tensão aplicada ao Motor;

Saber o torque do motor, mensurando a corrente consumida pelo mesmo;

Receber um feedback de posicionamento do Atuador em função da leitura do

encoder;

Saber quando os limites de movimentação foram atingidos, superior e inferior,

através dos switches.

Todas estas funcionalidades podem ser melhores compreendidas através da

observação da Figura 28, que contém o fluxograma da visão geral de um Slave, ater-

se as setas do mesmo, pois estas indicam a direção do fluxo de informação.

Figura 28: Fluxograma da visão geral de um Slave.

40

Com todas as funcionalidades do Slave bem explicitadas, e toda a parte teórica

de funcionamento igualmente descrita, devemos nos ater agora ao hardware envolvido

para execução de tais tarefas. Conforme a Figura 29 demonstra, o hardware do Slave

possui três subdivisões, ou melhor dizendo, três placas distintas: Microcontroller Board,

Motor Driver e Slave Driver.

Figura 29: Fluxograma da visão geral de um Slave, com detalhamento do hardware.

41

Microcontroller Board, usufruindo do fenômeno mundial atual em quesito de

hardware para prototipagem rápida, o arduino, fez-se a escolha de uma de suas placas

de aplicação para tal, a placa “Arduino pro mini”, conforme Figura 30. Tal placa possui

diversos periféricos necessários para uma aplicação embarcada, sendo igualmente

compacta. Possuindo um microcontrolador da Atmel© de 8-Bits o ATMEGA328P com as

seguintes features:

Interrupção externa por hardware, individual e por port;

UART por hardware;

Entradas e saídas de propósito geral (GPIO);

Conversor analógico para digital (ADC) de 10-Bits;

Três timers internos, dois de 8-Bits e um de 16-Bits;

20 MIPS (million instructions per second) a um clock de 20MHz;

32 KBytes de memória Flash (“ROM”, memória estática);

2 KBytes de SRAM (memória dinâmica);

Figura 30: Placa arduino pro mini 328 [SparkFun©].

O detalhamento do firmware, tanto quanto a IDE, utilizada para o

desenvolvimento do projeto com tal microcontrolador, serão melhores detalhados na

seção seguinte, 3.5 Programação e Controle. Sendo o esquemático relativo a tal placa,

alocado no Apêndice, ao final deste trabalho.

42

Motor Driver, segundo as informações do motor a ser controlado, seção 3.3.1

Atuador Elétrico Linear, a demanda máxima de corrente é 5A e a tensão aplicada

é de 12V. Para tal, pesquisou-se qual o CI (Circuito integrado) adequado para o controle

do motor, juntamente a isto, por motivos de praticidade e rápida prototipagem, não só

se pesquisou o CI adequado, mas também um módulo pronto e de fácil aquisição no

mercado nacional. O módulo encontrado, Figura 31, possui um CI da

STMicroelectronics© o VNH2SP30, sendo uma full-brigde de aplicação automotiva com

as seguintes features:

Range de tensão de 5.5V a 16V;

Corrente nominal de 14A;

Corrente de Pico de 40A;

Frequência máxima de PWM de 20KHz;

Resistência do MOSFET (on-resistance) de 19 mΩ (per leg);

Figura 31: Módulo H Bridge VNH2SP30.

Sendo o esquemático deste módulo muito próximo ao exemplo fornecido pelo

fabricante no seu datasheet (Application information). Referência está alocada no

Apêndice, ao final deste trabalho.

43

Slave Driver, para controlar e interligar todas as placas anteriormente citadas

idealizou-se um driver central, uma PCI (placa de circuito impressa) dedicada somente

para esta função, sendo necessário possuir as seguintes funcionalidades:

Servir como “Shield” para a Microcontroller Board;

Incorporar o driver relativo a RS-485, bem como todos os periféricos necessários

para tal aplicação;

Rebaixar a tensão do barramento de alimentação, estabilizando-a através de um

regulador chaveado, fornecendo assim a correta tensão à parte lógica;

Possuir conexões para interação com encoder e switches. Bem como os

periféricos necessários;

Possuir um barramento de pinos para interação com o Motor Slave.

O esquemático relativo a esta PCI encontra-se alocado no Apêndice, ao final

deste trabalho. Sendo a vista 3D e o Layout do Slave Driver conforme as figuras

abaixo (Figura 32 e Figura 33). O software utilizado para tal foi o Altium Designer©.

Figura 32: Vista 3D do Slave Driver. Figura 33: Layout do Slave Driver.

44

3.4.3 Montagem

Após todo o processo de desenvolvimento da eletrônica se dá a sua montagem,

sendo toda a parte dos Slaves disposta dentro da base metálica da plataforma (Figura

21), mais precisamente em suas cantoneiras, conforme a Figura 34.

Figura 34: Visão da montagem do hardware dos Slaves (com supressão da lataria).

A Figura 34 demonstra onde cada placa pertencente a eletrônica do Slave deverá

permanecer, sendo tal imagem relativas aos Slaves 1 e 2, respectivamente a esquerda e

a direita. Também é apontado na imagem o conector do atuador, para melhor

compreensão de tal, observar o seu diagrama situado no Apêndice, ao final deste

trabalho.

45

3.5 Programação e Controle

3.5.1 Programação

Conforme salientado na seção 3.4.2 Slave, o microcontrolador escolhido para

ser embarcado fora o ATMEGA328P, disponível na plataforma arduino. Contudo, como

há considerável complexidade e demanda por eficiência, não fora usufruído

diretamente das possibilidades de tal plataforma, no que condiz a firmware. Sendo

utilizado o editor de texto Atom© em conjunto a IDE (Integrated Development

Environment) PlatformIO©, conforme a Figura 35 demonstra. As linguagens de

programação utilizadas foram C e C++.

Figura 35: Árvore de projeto do Firmware do Slave, editor Atom em conjunto com a IDE PlatformIO.

Está fora do escopo deste Trabalho de Conclusão detalhar a programação em

questão, mas vale frisar, que tal programação englobou considerável complexidade e

girou em torno de duas mil linhas. Sendo os periféricos do CI configurados e utilizados

diretamente através de registradores internos.

46

3.5.2 Controle

O detalhamento aprofundado do controle efetuado no Atuador encontra-se fora

do escopo deste Trabalho de Conclusão, mas vale frisar que fora utilizado um sistema

PID (conforme Figura 36, a exemplo do código presente na Figura 35) para o controle de

velocidade e posicionamento, tendo como feedback o encoder.

Figura 36: Topologia genérica de um sistema PID.

Sendo a precisão do Atuador conforme o equacionamento abaixo:

𝐸𝑛𝑐𝑜𝑑𝑒𝑟 = 64𝑃𝑃𝑅

𝐶𝑎𝑖𝑥𝑎𝑑𝑒𝑅𝑒𝑑𝑢çã𝑜 = 1: 18.75

𝐹𝑢𝑠𝑜[𝑚𝑚/𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎] = 3

18,75. 64

3= 400[𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠/𝑚𝑚]

47

4 Resultados Experimentais

Nesta seção será apresentado o protótipo final, demonstrando todos os resultados

obtidos através do árduo processo de modelagem, prototipagem e testes.

4.1 Mecânica

Toda a modelagem mecânica já fora apresentada, bem como a estrutura, os

materiais utilizados e o processo para tal. Sendo assim, estão dispostas na Figura 37 e

Figura 38 todas as peças desenvolvidas.

Figura 37: Todas as peças usinadas para o projeto (a esquerda há um atuador semi-montado).

Figura 38: Todos os tubos e chapas usadas para a estrutura da Plataforma.

48

Dando continuidade à Figura 37, onde um atuador encontrava-se em processo

de montagem, apresenta-se a Figura 39, onde há o modelo final do Atuador (sem os

tubos, para melhor contemplação). Sendo este o coração de todo o projeto e igualmente

a parte mais complexa em todo o desenvolvimento.

Figura 39: Atuador Elétrico Linear final (aberto).

Por fim, após diversos testes e remodelagens, chegou-se ao design final da

Plataforma Robótica de Stewart, conforme a Figura 40 demonstra.

Tal conjunto não é exatamente igual ao modelado, algumas pequenas mudanças

circunstanciais foram necessárias, como adição de molas para diminuir a folga de

movimentação dos mecanismos ou pequenos ajustes de encaixe. Tirando estes detalhes

por menor, pode-se dizer que o resultado final fora muito satisfatório. Resultando em

um mecanismo funcional, robusto e acima de tudo, belo.

49

Figura 40: Modelo mecânico final (anodizado).

50

4.2 Hardware e eletrônica

Com a mecânica funcional, agora nos atemos a parte eletrônica, fazendo alusão

a Figura 32, onde uma visão 3D prévia fora apresentada, agora demonstra-se o modelo

final do Slave Driver, conforme a Figura 41 e Figura 42.

Figura 41: Slave Driver semi-finalizado. Figura 42: Slave Driver, modelo final.

Tais placas supracitadas passaram por um considerável processo de debug antes

de sua montagem final e testes. Revelando novamente pequenos detalhes por menor

que necessitavam de ajustes, como footprints imperfeitos e sutis adições de

componentes passivos para um melhor funcionamento. Após esta etapa, toda a

eletrônica fora montada, a exemplo da Figura 43.

Figura 43: Montagem dos Slaves final.

51

O passo seguinte fora o teste do barramento de comunicação, mas para tal,

conforme salientado na introdução da seção 3.4 Eletrônica, fora necessário o

desenvolvimento em bancada do Master, conforme Figura 44.

Figura 44: Master prototipado para o teste.

Com todo o barramento montado e igualmente com todos os seus “usuários”

(Master e Slaves) em posição, efetuaram-se os testes. Alcançando-se o limite de

throughput (taxa de transferência) dos Slaves, sendo este de 1Gbs, conforme Figura 45

demonstra. Tal velocidade elevada é excelente para a aplicação, que exige considerável

troca de dados. Resultando assim em uma eletrônica veloz, potente e elegante.

Figura 45: Captura do pacote de dados transmito via RS-485 a 1Gbs pelo osciloscópio.

52

4.3 Firmware e Controle

Como já salientando a aplicação demandou por alta velocidade de

processamento, ao mesmo tempo que o controle efetuado onerava o hardware por sua

complexidade, pois este usufruía de múltiplas variáveis de ponto flutuante. Portanto, o

firmware teve especial atenção, tendo sido devotado considerável tempo para sua

otimização e funcionalidade. Tendo por fim ocupado um espaço muito pequeno apesar

da aplicação, conforme a Figura 46 demonstra.

Figura 46: Captura do uso de memória (compilador).

Sendo os resultados finais amostrados do atuador conforme a Figura 47 e Figura

48.

Figura 47: Curva de velocidade do Atuador.

53

Figura 48: Resposta ao degrau do sistema, motor partindo da posição 0mm a 40mm.

A curva de velocidade terminal, Figura 47, demonstra que sem carga (teste em

bancada, fora da plataforma) o Atuador desenvolvido chega a uma velocidade de

36mm/s, aproximadamente. Já a curva de resposta ao degrau de posição, Figura 48,

demonstra o quão bem sucedido foi o controle PID aplicado ao sistema. Apresentando

praticamente uma curva reta até atingir o ponto desejado.

Com todos estes dados em mãos, pode-se dizer que os objetivos de software

foram alcançados, a aplicação responde conforme se esperava.

54

5 Conclusão

O trabalho de conclusão tem como objetivo, como o próprio nome sugere, findar

o processo acadêmico dos indivíduos dentro de suas instituições de ensino. Sendo

assim, tal obra fecha o ciclo de maturação do profissional que adentrará o mercado de

trabalho, demonstrando de forma sucinta as aptidões e frutos que possivelmente este

novo engenheiro virá a colher no seu futuro como profissional.

Portanto, tal obra fora de grande desafio e aprendizagem, envolvendo distintas

áreas de conhecimento, abordando vários tópicos no âmbito de engenharia/tecnologia,

trazendo consigo uma alta carga de entendimento para com os campos da engenharia

abordados durante o processo de formação.

Igualmente a uma evolução profissional do autor, se deu alto grau de

importância a construção, literalmente, de uma plataforma de desenvolvimento

educacional, proporcionando o escalonamento de projetos, visando sempre a constante

evolução do nicho acadêmico como um todo, fomentando a pesquisa e o

desenvolvimento qualificado, em prol da inovação tecnológica, constantemente

demandada por nossa sociedade.

Por fim, detendo consigo o objetivo primordial deste trabalho, o

desenvolvimento de um manipulador robótico fora um considerável sucesso. Atingindo

resultados respeitáveis em todas as suas etapas e áreas, sejam essas, mecânica,

hardware ou software. Executando as funções estipulados inicialmente, tendo um

funcionamento adequado e uma documentação impecável.

Pode-se assim concluir, que este trabalho de conclusão é só o primeiro de

diversos que virão a contribuir para a com a ciência através de tal plataforma.

55

Bibliografia [1] Stewart, D. (1965–1966). "A Platform with Six Degrees of Freedom". Proc. Institution of

Mechanical Engineers (UK). 180 (Pt 1, No 15).

[2] Merlet, J. P. Parallel Robots. 2. ed. 2006.

[3] Automations, FIRGELLI. Citação de referências e documentos eletrônicos. Disponível

em: <https://www.firgelliauto.com/blogs/news/18090539-linear-actuator-how-to>

Acesso em: 24 set. 2017.

[4] Serdar Kucuk, (2012). Serial and Parallel Robot Manipulators – Kinematics, Dynamics,

Control and Optimization, 2nd Edition.

[5] J. M. McCarthy and G. S. Soh, Geometric Design of Linkages, 2nd Edition, Springer 2010.

[6] Gosselin, C. Kinematic analysis optimization and programming of parallel robotic

manipulators. Ph.D. Thesis, McGill University. Montréal. 1988.

[7] Lebron, Rodrigo. Controle de um manipulador Plataforma de Stewart com atuadores

hidráulicos como simulador de movimentos de navios. UFRGS 2015.

[8] Dasgupta, B.; Mruthyunjaya, T. S. The Stewart Platform Manipulator: a Review.

Mechanism and Machine Theory, v. 35, p. 15-40, 2000.

[9] Valente, V. T. Análise matemática e simulação de um manipulador paralelo com seis

graus de liberdade. Trabalho de conclusão de curso, Universidade Federal do Rio Grande

do Sul. Porto Alegre. 2012.

[10] Mello, C. B. Controle de Trajetória de uma Plataforma Stewart para Simulação de

transferência de carga Fora de Porto. Dissertação de Mestrado, UFRJ. Rio de Janeiro.

2011.

[11] Kim, D.; Kang, J.; Lee, K. Robust Tracking Control Design for a 6 DOF Parallel

Manipulator. Journal of Robotic Systems, v. 17(10), p. 527-547, 2000.

[12] Spong, M. R.; Vidyasagar, M. Robot Dynamics and Control. 1ª. ed. 1989.

[13] Hexapod, Stewart Platform. Citação de referências e documentos eletrônicos.

Disponível em: <http://i.imgur.com/fquPc4Q.png> Acesso em: 26 nov. 2017.

https://www.firgelliauto.com/blogs/news/18090539-linear-actuator-how-to

https://books.google.com/books?id=jv9mQyjRIw4C&printsec=frontcover&dq=geometric+design+of+linkages&hl=en&ei=3L_5TcvZGaHV0QG2wMiDAw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CDMQ6AEwAA#v=onepage&q&f=false

56

Apêndice

Seguem anexados a este trabalho de conclusão todos os documentos

pertinentes para sua completa e tangível compreensão.

6 B3

8

E3

I2

E2

E1

20

A

19

21

P4

185

P7

P1

P2P5C

F9

P7

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

TÍTULO:

DES. Nº: xx ESCALA:1:1.2 A4

C

3

3

OBSERVAÇÕES: Autor:

DATA: 30/10/2017

- Vista explodida da região inferior do atuador linear;- Todos os balões numerados estão correlacionados a lista de"componentes para um conjunto atuador";

Vista Explodida

João Berlese

Sub-Montagem Inferior

20

A21

19

17P7

715 E

16 41

14

B

132

10P3

D11

E4P4

12

E4

P4

I1

6

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

TÍTULO:

DES. Nº: xx ESCALA:1:2 A4

C

3

3


DATA: 03/09/2017

- Vista explodida da região superior do atuador linear;- Todos os balões numerados estão correlacionados a lista de"componentes para um conjunto atuador";

Vista Explodida

João Berlese

Sub-Montagem superior

376,50

308,50

A B

12 10 26

48

8

1

DETAIL ASCALE 1 : 1

Fuso 14mm

6M8

8 +0 -0,01*rebaixo **

7 13

20 DETAIL B

SCALE 1 : 1

M68

Fuso 14mm

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

TÍTULO:

DES. Nº: 01 ESCALA: 1:2 A4

C

3

3


DATA: 16/12/2015

1 - * Região com encaixe para rolamento de 8mm;2 - ** Rebaixo plano de 1mm no eixo;3 - 4 - 5 - 6 -

MATERIAL: AÇO 1045

João Berlese

Fuso Trapezoidal 14mm

12,50

3,50 (x3)*

27,50

Rosca 14mm**

35

19

,50

21 10

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

TÍTULO:

DES. Nº: 02 ESCALA:1:1 A4

C

3

3


DATA: 16/12/2015

1 - *3 furos passantes de 3,5mm, espaçados de 120º;2 - **Rosca trapezoidal para o fuso de 14mm;3 - 4 - 5 - 6 -

MATERIAL: Bronze

João Berlese

Castanha trapezoidal 14mm

158

3,20 (x3) 3

,75

3,7

5 1

50,5

0

A

A

BB

50,80

44,46

SECTION A-A

¹Encaixe c/ peça

²Encaixe c/ peça

120

°

SEÇÃO B-B

2 x 45º (x3)

João Berlese

MATERIAL: Alumínio

1 - Peça bruta: Tubo de alumínio 50.8mm c/ parede de 3.17mm;2 - ¹Encaixe deslizante com "Suporte central" (peça nº 06);3 - ²Encaixe deslizante com "Tampa inferior (motor)" (peça nº 05);

DATA: 27/05/2016

Autor:OBSERVAÇÕES:

A4ESCALA: 1:1.5DES. Nº: 03

TÍTULO:Tubo externo (Motor)

335

3,20 (x3)

7,5

0 3

,75

323

,75

A

A

BB

50,80 44,46

SEÇÃO A-A

²Encaixe c/ peça

¹Encaixe c/ peça

120° SEÇÃO B-B

2 x 45º (x3)

João Berlese

MATERIAL: Alumínio

1 - Peça bruta: Tubo de alumínio 50.8mm c/ parede de 3.17mm;2 - ¹Encaixe deslizante com "Suporte central"(peça nº 06);3 - ²Encaixe deslizante com "Tampa superior"(peça nº 07);

DATA: 27/05/2016


A4ESCALA:1:5DES. Nº: 04

TÍTULO:Tubo externo (Fuso)

4,5

0 (x3

)

M3 (

x3)

8

13,75

15

35

AA

44

1,5

0

42

50,80

5

7,5

0

12,

50

¹Encaixe c/ peça

4

1

3,7

5

SECTION A-A

M3 (x3 espaçado de 120º)

João Berlese

MATERIAL: Alumínio - 6082 - T6

1 - Peça bruta: Tarugo de alumínio com Ø 57,15mm;2 - ¹Encaixe deslizante com "Tubo externo (Motor)" (peça nº 03);

DATA: 24/05/2016



TÍTULO:Tampa Inferior (Motor)

20

A

A

BB

1 x 45º³Encaixe c/ peça

24 28 44

15

16,

50

7,50

8

M3 (x2) (prof. 10mm) 4

,50

15,16

8,7

5

M4 (x2) (prof. 10mm)

15

5

10

28 24

SEÇÃO A-A1 x 45º

¹Encaixe c/ peça²Encaixe c/ peça

120°

SEÇÃO B-B

M3 (x3)

João Berlese


1 - Peça bruta: Tarugo de alumínio com Ø 50,8mm;2 - ¹Encaixe com "Tubo Guia"(nº 12);3 - ²Encaixe interferente com "Mancal do Tubo Atuador"(nº 15);4 - ³Encaixe interferente com "Tubo externo (fuso)"(nº 04);

DATA: 15/01/2016



TÍTULO:Tampa Superior

10

5

3,5

0 (x6

)*

18,

40

10,63

R3**

2,50

31

A

A

4,50 (x3)

R4,50

14

34

4,50

42,50

SECTION A-A

Escariado 1,5 x 45°

João Berlese


1 - Peça bruta: Tarugo de alumínio com Ø 50,8mm;2 - Todos os furos são passantes;3 - *Seis furos escariados p/ fixação do motor, espaçados de 60°;4 - ** Recorte lateral p/ passagem de fios, não a necessidade de grande precisão. Cantos arredondados na lima (+- 1mm);5 -

DATA: 25/05/2016


A4ESCALA: 1.5:1DES. Nº: 08

TÍTULO:Fixador do Motor

37

4,50

9

Usinar 3 peças por atuador

João Berlese


1 - Peça bruta: Tarugo de alumínio com Ø 12,7mm;2 - 3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 18/01/2016



TÍTULO:Espaçador M4

44

4,50

20

12

3,50 (x3)

6 (x3)

15

27,50

AA

¹Encaixe c/ peça

12 8

4

SECTION A-A

1 x 45º

1 x 45º

João Berlese


1 - Peça bruta: Tarugo derivado de um polímero;2 - ¹Encaixe c/ interferência c/ "Guia Linear" (peça nº 11);3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 25/05/2016


A4ESCALA: 1.5:1DES. Nº: 10

TÍTULO:Suporte Castanha

18

1,5

0 1

3

A

A

¹Encaixe c/ peça

*Encaixe c/ anel

*Encaixe c/ anel

12

8

1

1

SECTION A-A

Chanfro 1 x 45º

²Encaixe c/ peça

João Berlese

MATERIAL: Poliacetal

1 - Peça bruta: Tarugo de poliacetal com Ø 20mm;2 - ¹Encaixe c/ interferência c/ "Suporte Castanha" (peça nº 10);3 - ²Encaixe deslizante c/ "Tubo Guia" (peça nº 12);4 - *Local p/ Anel elástico de 10mm;5 - 6 -

DATA: 19/01/2016



TÍTULO:Mancal Linear

327

20

20

5

5

A

A

7.94*

6*

SECTION A-A

João Berlese

MATERIAL: Latão

1 - Peça bruta: Tubo de latão redondo com Ø 7,94mm x 1mm;2 - *Medidas em bruto sem necessidade de usinagem;3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 19/01/2016


A4ESCALA: 2:1DES. Nº: 12

TÍTULO:Tubo Guia

25

M3 (x3)

12,

50

35

27,50

19

5

A

A

BB

SECTION A-A

¹ Encaixe c/ peça

8,5

0 17,

50

SECTION B-B

M3M3

*Rosca usinada

João Berlese


1 - Peça bruta: Tarugo de alumínio com Ø 38,1mm;2 - Todos os furos são passantes;3 - *Rosca usinada, determinar na fabricação (Prévio: passo de 2mm, profundidade 1.5mm);4 - ¹Encaixe rosqueado c/ "Tubo Atuador"(nº 14);5 -

DATA: 19/01/2016



TÍTULO:Flange do Tubo Atuador

4 8

10

A

A

Chanfro 1 x 45º

*Rosca Usinada

¹Encaixe c/ peça

22,22 16

16 22,22

15,88

15

19

30

305

,50

SECTION A-A

²Encaixe c/ peça

João Berlese

MATERIAL: Alumínio

1 - Peça bruta: Tubo de alumínio Ø 22.2mm c/ parede de 3.17mm;2 - Todos os furos são passantes;3 - *Rosca usinada, determinar na fabricação (Prévio: passo de 2mm, profundidade 1.5mm);4 - ¹Encaixe rosqueado c/ "Flange do tubo Atuador"(nº 13);5 - ²Encaixe justo c/ "Fixador do Atuador (topo)"(nº 17);

DATA: 20/01/2016



TÍTULO:Tubo Atuador

15

A

A

Chanfro 1 x 45º

22,22

28

SECTION A-A

¹Encaixe c/ peça

²Encaixe c/ peça

João Berlese


1 - Peça bruta: Tarugo de poliacetal de Ø 30mm;2 - ¹Encaixe deslizante c/ "Tubo Atuador"(nº 14); 3 - ²Encaixe interferente c/ "Tampa Superior"(nº 07);4 - 5 - 6 -

DATA: 20/01/2016



TÍTULO:Mancal do Tubo Atuador

10

A

A ¹Encaixe c/ peça

15,87

8

SECTION A-A

Chanfro 1 x 45º

João Berlese


1 - Peça bruta: Tarugo de poliacetal de Ø 20mm;2 - ¹Encaixe deslisante c/ "Tubo Atuador"(nº 14); 3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 20/01/2016



TÍTULO:Mancal do fuso

13

11

8

10

3

45

4

10

6

16

5

M6

Chanfro 3 x 45º

¹Encaixe c/ peça

Encaixe c/ pino de retenção

João Berlese

MATERIAL: Aço 1045 Trefilado

1 - Peça bruta: Tarugo de aço 1045 trefilado de Ø 25,4 mm;2 - ¹Encaixe justo c/ "Tubo Atuador" (nº14); 3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 20/01/2016



TÍTULO:Fixador do atuador (topo)

20

10

6

10

10

30

5

M6

M4 (x3)

15

João Berlese

MATERIAL: Aço 1045 Trefilado

1 - Peça bruta: Tarugo de aço 1045 trefilado de Ø 25,4 mm;2 - 3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 21/01/2016



TÍTULO:Fixador do atuador (base)

7

3

10

A

A

Chanfro 2 x 45º

¹ Encaixe c/ peça

6,50

20

22

SECTION A-A


João Berlese

MATERIAL: Bronze

1 - Peça bruta: Tarugo de bronze de Ø 25,4 mm;2 - ¹Encaixe c/ "Rótula 20mm GE20ES2RS" (elemento de máquina); 3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 21/01/2016



TÍTULO:Bucha Rótula (base)

3

7 1

0

A

A

Chanfro 2 x 45°

¹Encaixe c/ peça

20

22

2

M6

2

SECTION A-A

Chanfro 1 x 45°


João Berlese

MATERIAL: Bronze

1 - Peça bruta: Tarugo de bronze de Ø 25,4 mm;2 - ¹Encaixe c/ "Rótula 20mm GE20ES2RS" (elemento de máquina);3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 21/01/2016



TÍTULO:Bucha Rótula (topo)

4

11,

50

15,

50

A

A

Chanfro 2.5 x 45°

63

4,50 (x4)

53

43

35

30

11,

50 4

SECTION A-A

Chanfro 2.5 x 45°

Chanfro 1 x 45°¹Encaixe c/ peça


João Berlese


1 - Peça bruta: Tarugo de alumínio com Ø 63,5mm;2 - ¹Encaixe c/ "Rótula 20mm GE20ES2RS" (elemento de máquina);3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 21/01/2016



TÍTULO:Flange Rótula

430

A

50,80

25,

40

7

12,

70

25,

40

3,30 (x8)

DETALHE A

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

TÍTULO:

DES. Nº: xx ESCALA:1:2.5 A4

C

3

3


DATA: 01/06/1992

1 - Seis peças são necessárias para a plataforma;2 - 3 - 4 - 5 - 6 -

MATERIAL: ALUMINIO

João Berlese

Tubo da Base

236

45°

5

8,5

0 8

,50

8,4

0 8,50

23,97

M3 (x4)

6,5

0

25,

40

12,

70

12,50 20

M4 (x4)

25,

40

12,

70

20 18,50 41,48 20 40 20 20 23,52 20

14

116,02

12,50

M4 (x14)

4,50 (x4

)

50,80

25,

40 B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

TÍTULO:

DES. Nº: xx ESCALA:1:2 A4

C

3

3


DATA: 03/06/2016

1 - Três peças são necessárias para a plataforma;2 - 3 - 4 - 5 - 6 -

MATERIAL: Alumínio

João Berlese

Tubo da plataforma

10

28

6,50

Usinar nove espaçadores p/ a plataforma

João Berlese


1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 -

DATA: 03/06/2016


A4ESCALA:2:1DES. Nº: xx

TÍTULO:Espaçador da plataforma

IN

GND

OUT

EN BP

1234567891011121

23456789101112

12

PB5(SCK) 17

PB7(XTAL2/TOSC2)8

PB6(XTAL1/TOSC1)7

GND3

GND21

VCC4

VCC6

AGND5

AREF20

AVCC18

PB4(MISO) 16PB3(MOSI/OC2) 15PB2(SS/OC1B) 14PB1(OC1A) 13PB0(ICP) 12

PD7(AIN1) 11PD6(AIN0) 10PD5(T1) 9PD4(XCK/T0) 2PD3(INT1) 1PD2(INT0) 32PD1(TXD) 31PD0(RXD) 30

ADC7 22ADC6 19PC5(ADC5/SCL) 28PC4(ADC4/SDA) 27PC3(ADC3) 26PC2(ADC2) 25PC1(ADC1) 24PC0(ADC0) 23PC6(/RESET)29

DTRRXITXOVCCCTSGND

12

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Brazil

Av. Ipiranga, 7464

(51) 98182-2534

Logic Driver

31/01/2017 15:31:46

Title:

Size: Number:

Date:

Revision:

Sheet ofTime:

A4

Author:

Porto Alegre - RS

João Berlese Site: www.projetei.com

GND 5V

Vin

Vin

GND

uCS

TxRx

RE 2

GND5

RO 1VCC8

DE 3

DI 4

A6

B7

U3

ST485EC

5V

GND

D1

SMBJ5A_RS458

B_RS485

RDE

Rx

Tx

120R1

4

56

U4B

GND

5V

uINA

uINB

1

23

VDD14

GND 7

U4A

But1

But2

123

CN5

5V

100nFC2

100nFC3

But1But2

1234567

CN4

EN

CS

INAINB

PWM

5V

GND

INA

INB

uINAuINB

But1

But2

PWMEN

1A

F1

CS

47KR3

GND

5V

4K7R4

uCS

GND

1234

CN1

5V

GND

EncAEncB

EncAEncB

RDE

100nFC1

GND

Vcc

5

Vee

2

3

41

U5TSV321

OUT+ 2

OUT- 1

U1

MP1584EN_90

100nFC4

GND

5V 5V

1.5mm

CN2

CON_Hole

1.5mm

CN3

CON_Hole

0RR2

10KR5

10KR6

GND GND

Reset3

VIN1

VCC4

GND2

A08 A17 A26 A35 A425 A526

D2 20D3 19D4 18D5 17D6 16D7 15D8 14D9 13D10 12

MOSI 11MISO 10SCK 9

RXI 23TXO 24

A627 A728

U2

Arduino Pro_mini

PIC101 PIC102

COC1

PIC201

PIC202 COC2

PIC301

PIC302 COC3

PIC401

PIC402 COC4

PICN101

PICN102

PICN103

PICN104

COCN1

PICN201

COCN2

PICN301

COCN3

PICN401

PICN402

PICN403

PICN404

PICN405

PICN406

PICN407

COCN4 PICN501

PICN502

PICN503

COCN5

PID101

PID102 COD1

PIF101 PIF102

COF1

PIR101

PIR102 COR1

PIR201

PIR202 COR2

PIR301 PIR302

COR3

PIR401 PIR402

COR4

PIR501

PIR502 COR5

PIR601

PIR602 COR6

PIU101

PIU102

COU1

PIU201

PIU202

PIU203

PIU204

PIU205

PIU206

PIU207

PIU208

PIU209

PIU2010

PIU2011

PIU2012

PIU2013

PIU2014

PIU2015

PIU2016

PIU2017

PIU2018

PIU2019

PIU2020

PIU2023

PIU2024

PIU2025

PIU2026

PIU2027

PIU2028

COU2

PIU301

PIU302

PIU303

PIU304 PIU305

PIU306

PIU307

PIU308

COU3

PIU401

PIU402

PIU403

PIU407

PIU4014

COU4A

PIU404

PIU405

PIU406

COU4B PIU501

PIU502 PIU503

PIU504

PIU505

COU5

PIC102

PIC202 PIC301

PIC402

PICN101

PICN401

PICN503

PIU204

PIU308

PIU4014

PIU505

PIC101

PIC401

PICN102

PICN402

PIR201

PIR402

PIR501 PIR601

PIU101

PIU202

PIU407

PIU502

PICN103

PIU2020

POEncB PICN104

PIU2019

POEncA

PICN201

PID102 PIR102 PIU307

PICN301

PID101 PIR101 PIU306

PICN403

PIU2018

POEN PICN404

PIU2017

POPWM PICN405

PIU403

POINA PICN406

PIU406

POINB PICN407

PIU503

POCS

PIF101 PIU102

PIR202

PIU305

PIR301

PIU208

PIU501 POuCS

PIR302

PIR401 PIU504

PIU203

PIU205

PIU302

PIU303

PORDE PIU206

PIU207

PIU209

PIU2010

PIC302

PICN502

PIR602

PIU2011

PIU402

POBut1

PIC201

PICN501

PIR502

PIU2012

PIU404

POBut2 PIU2013

PIU2014

PIU2015

PIU405

POuINB PIU2016

PIU401

POuINA

PIU2023

PIU301

PORx PIU2024

PIU304

POTx

PIU2025

PIU2026

PIU2027

PIU2028

PIF102

PIU201

POBUT1 POBUT2

POCS

POEN POENCA POENCB

POINA

POINB

POPWM

PORDE

PORX

POTX

POUCS

POUINA

POUINB

GND

Motor A

Motor B

Fim Down

VCC (5V)

Fim Up

Encoder B

Encoder A

Conector de Saída do Atuador

Conector Mike 8 Vias Macho:

Relativo ao diagrama acima

Conector Mike 8 Vias Fêmea:

Relativo ao cabo, espelhar o diagrama acima verticalmente

construÇÃo de uma plataforma robÓtica de … · enfoque posteriormente como trabalho de base...

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