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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁDEPARTAMENTOS ACADÊMICOS DE INFORMÁTICA E ELETRÔNICA

CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

ANDRÉ GABRIEL CASSIMIROLUISA BONIN DE OLIVEIRA

Plotter Vertical

RELATÓRIO DE PROJETO DE OFICINA DE INTEGRAÇÃO II

CURITIBA2014

1

ANDRÉ GABRIEL CASSIMIROLUISA BONIN DE OLIVEIRA

Plotter Vertical

Relatório de Projeto apresentado à Disciplina deOficina de Integração II, do Curso Superior deEngenharia de Computação dos DepartamentosAcadêmicos de Informática e de Eletrônica daUniversidade Tecnológica Federal do Paraná.

Prof. auxiliadora: Elisabete Nakoneczny Moraesdo Departamento Acadêmico de Eletrotécnica.

CURITIBA2014

2

Agradecimentos

Sinceros agradecimentos aos amigos André Augusto Kaviatkovski e Diego Wes-ley Braga pelas contribuições na primeira etapa deste relatório.

3

Resumo

CASSIMIRO, ANDRÉ; BONIN, LUISA. PLOTTER VERTICAL. Relatório deProjeto de Oficina de Integração II – Curso de Engenharia de Computação, Uni-versidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2014.

Este relatório apresenta o processo de desenvolvimento de um Plotter Vertical,detalhando as etapas de planejamento, orçamento e realização. O projeto baseia-se na construção de um plotter, fixo em uma superfície vertical por dois pontosnos polos. Em cada polo há um motor de passo, que garante a movimentaçãode uma caneta. Esses motores são controlados por um microcontrolador e umcomputador com interface serial. Com este plotter será possível desenhar, teori-camente, figuras de qualquer tamanho, mudando-se apenas a distâncias entre ospolos.

Palavras-chave: Plotter, Arduino, Microcontrolador, Motor de Passo.

LISTA DE FIGURAS 4

Lista de Figuras

1 Desenho dos polos do Plotter Vertical.[15] . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Desenho do sistema de movimentação do Plotter Vertical.[15] . . . . . . . 73 Limitações da área de plotagem.[15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Arquitetura do Plotter Vertical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Esquema de ligação do motor de passo modelo AK39HY/12-1.8.[5] . . . . 126 Sequência de acionamento do motor de passo modelo AK39HY/12-1.8.[5] 127 Esquemático de um solenoide.[7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Diagrama de ligações do driver L293D.[10] . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Diagrama de ligações do shield.[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1510 Arduino Mega.[17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1611 Sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1712 Foto do shield encaixado no Arduino [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . 2013 Foto da solenoide [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2014 Programa para detectar bordas. [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2315 Imagem antes e depois da redução do número de pixels. [11] . . . . . . . 2516 Imagem da simulação do programa. [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2517 Foto de uma das polias construídas [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2718 Foto do suporte construído para o Arduino. [11] . . . . . . . . . . . . . . 2719 Foto dos pregos em uma das extremidades. [11] . . . . . . . . . . . . . . 2820 Foto do suporte construído [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2921 Diagrama de Gantt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

LISTA DE TABELAS 5

Lista de Tabelas

1 Características do motor de passo modelo AK39HY/12-1.8 [5] . . . 112 Características elétricas do motor de passo modelo AK39HY/12-

1.8 [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Orçamento do Plotter Vertical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

SUMÁRIO 6

Sumário

1 Introdução 71.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Revisão dos Conteúdos Envolvidos 102.1 Transmissão de Movimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.1 Correias e Polias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2 Motores de Passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 Solenoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 Ponte H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4.1 Driver L293D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.5 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.5.1 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Fundamentação Teórica 17

4 Metodologia 194.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1.1 Integração entre motor de passo, ponte H e Arduino . . . . 194.1.2 Movimentação da caneta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Construção do software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.3 Integração entre software e hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.4 Montagem do suporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5 Resultados e discussões 29

6 Orçamento 30

7 Conclusões 31

8 Cronograma 34

9 Defesa 35

1 Introdução 7

1 Introdução

Este projeto consiste em um sistema capaz de reproduzir, num plano vertical,figuras geométricas. Essencialmente, o Plotter Vertical é uma máquina para de-senhar consistindo de uma caneta, suspensa por fios entre dois motores, que semove sobre uma superfície vertical. O sistema é composto de um conjunto mi-nimalista de partes: uma superfície plana vertical, uma caneta encapsulada poruma gôndola e um sistema compacto para movimentação da gôndola. O Plot-ter Vertical é baseado no uso de dois pontos de referência fixos (polos) a partirdos quais qualquer ponto no plano vertical passando por ambos os polos podeser definido pelas duas distâncias entre o ponto (caneta representada por m) e ospolos (representados por a1 e a2) (Figura 1).

Figura 1: Desenho dos polos do Plotter Vertical.[15]

O sistema para movimentação da gôndola consiste em dois motores de passocentrados nos polos, em cujos eixos são acopladas roldanas. Dois fios estirados,são fixados na gôndola (Figura 2). Cada um desses fios passa por uma das rolda-nas e termina com um peso para o estiramento. Opcionalmente, um contrapesopode ser adicionado à gôndola para o estiramento adequado do fio.

Figura 2: Desenho do sistema de movimentação do Plotter Vertical.[15]

1.1 Motivação 8

Devido aos aspectos construtivos, limitações físicas definem a área de plota-gem como um retângulo entre e abaixo dos dois polos como ilustra a Figura 3.

Figura 3: Limitações da área de plotagem.[15]

Os padrões a serem reproduzidos na área de plotagem serão definidos porum software no PC. Este software decomporá o padrão a ser reproduzido emuma sequência de três comandos possíveis:

• Abaixar caneta.

• Levantar caneta.

• Mover caneta para a posição (x,y) dentro da área de plotagem.

Definida a sequência de comandos, o software do PC a envia para um con-trolador responsável por comandar os motores e a gôndola para a execução doscomandos. Tal controlador é implementado por um Arduino Mega e um shieldcom 2 CI L293D que controlará os motores. A Figura 4 mostra a arquitetura doPlotter Vertical.

1.1 Motivação

Com contexto mais prático da disciplina, os integrantes da equipe se interessa-ram por realizar um projeto que engloba diversas áreas da engenharia. Um plot-ter vertical é especialmente interessante por ter esse aspecto multidisciplinar eao mesmo tempo com construção relativamente simples e de baixo custo. Alémdisso, por ter o objetivo de plotar desenhos este projeto se torna mais estimulador,pois a equipe vê diretamente o resultado.

1.2 Objetivos 9

Figura 4: Arquitetura do Plotter Vertical.

1.2 Objetivos

A equipe pretende com este projeto aprender de forma prática a comunicaçãoentre hardware e software, através da construção de um plotter vertical.

1.2.1 Objetivo Geral

Desenvolver um plotter vertical capaz de desenhar figuras, compostas por linhas.Após a detecção, dos pontos (x,y) que serão utilizados no desenho, o softwarepassará os comandos para o microcontrolador Arduino acionar os motores. Osmotores de passo liberarão o comprimento necessário das correias para a canetachegar aos pontos.

1.2.2 Objetivos Específicos

• Fazer um software capaz de identificar a largura necessária que cada motortem que liberar de correia.

• Implementar um sistema de controle de movimentação de motores de passo.

• Implementar os movimentos da caneta: abaixar e levantar.

• Deslocar a caneta até o ponto (x,y) tendo em vista a orientação dos dadoscalculados e obtidos pelo software.

2 Revisão dos Conteúdos Envolvidos 10

2 Revisão dos Conteúdos Envolvidos

Nesta seção serão descritos alguns conteúdos necessários para a fundamentaçãoteórica do nosso projeto. Aqui serão descritas características de hardware e lógicade controle do sistema.

2.1 Transmissão de Movimento

Para fazer a movimentação necessária deste projeto precisa-se dos conhecimen-tos da mecânica técnica. A mecânica técnica trata da aplicação prática das leisfísicas e da mecânica, de modo a abranger eventos que ocorrem tanto em elemen-tos como em sistemas mecânicos. Uma das principais finalidades desta área éanalisar e entender o funcionamento das máquinas, bem como criar formas deacionamento para as mesmas. [1]

Uma das vertentes da mecânica técnica é a transmissão de movimento de umeixo motriz, que em geral está conectado a um motor, para um outro eixo, deforma a possibilitar a atuação à distância, bem como, eventualmente, adaptar ocomportamento dos motores que podem não ser ideais para a aplicação preten-dida.

Não obstante a transmissão de movimento não esteja limitada a um únicotipo de transformação, de modo que pode-se transformar rotação em movimentoretilíneo, ou movimento retilínio em rotação, por exemplo, no presente trabalhoserá estudada apenas a transmissão de rotação em rotação, e especificamente, estatransformação sendo realizada por pares polia-correia. [2]

2.1.1 Correias e Polias

Ao se pensar em par correia-polia, muitas são as alternativas disponíveis para atransmissão da rotação, pode-se utilizar de correias planas, em V e correias den-tadas ou sincronizadoras, sendo que as polias dependem do meio de transmissãoutilizado. [1]

O meio mais comum de transmissão utilizado, em especial por sua facilidadede produção, é a correia plana e no presente projeto foi este o meio de transmissãoutilizado, graças à sua facilidade de utilização e economia. Para a realização desteprojeto forão utilizadas polias fixas, que servem para mudar a direção e o sentidoda força. [3]

2.2 Motores de Passo

Motores de passo são geralmente usados em aplicações de controle e precisão,como as impressoras.[4] Muitas características dos motores de passo fazem delesmáquinas ideais para essas aplicações. São elas:

• Motores de passo não tem escovas. O comutador e as escovas de moto-res convencionais são os componentes que mais tendem a falhar, além decriarem arcos elétricos que são indesejáveis e até perigosos em alguns am-bientes.

2.2 Motores de Passo 11

• Motores de passo vão girar em uma determinada velocidade independen-temente da carga, contanto que ela não exceda o torque máximo do motor.

• Motores de passo se movem em uma certa quantidade de passos incremen-tais. Portanto, a posição do rotor é sempre conhecida sem a necessidade deum mecanismo de realimentação.

• Motores de passo são capazer de manter o rotor parado, com excelente res-posta de arranque e movimento reverso.

Existem três tipos básicos de motores passo: ímã permanente, relutância va-riável e híbrido. Motores de ímã permanente tem um rotor magnetizado, en-quanto os motores de relutância variável tem rotores de ferro doce dentados. Mo-tores de passo híbridos combinam aspectos de ambos os tipos. O estator do motorde passo tem vários enrolamentos e o arranjo destes enrolamentos é o principalfator que diferencia os tipos de motores de passo. [4]

Para este projeto foram utilizados dois motores de passo unipolares modeloAK39HY/12-1.8 da Neoyama. A ficha técnica deste motor de passo pode ser vistanas Tabelas 1 e 2. Motores de passo unipolares são compostos de dois enrola-mentos, cada um com uma derivação central (center tap). Os motores unipolarestêm 5 ou 6 fios dependendo se as center taps são dois fios separados, que é o casodo motor utilizado, ou ligadas entre si internamente e trazidas para fora do motorcomo um fio só. [5]

Tabela 1: Características do motor de passo modelo AK39HY/12-1.8 [5]Ângulo de passo 1,8o

Número de passos 200

Enrolamento Espiras bifilares

Temperatura máx, de operação 80 C

Temperatura ambiente -10C 50C

Resistência de isolação 100 Ω / 500 Vdc

Rigidez dielétrica 500 Vac / 1 min.

Classe de isolação B

Folga máx. radial 0.03 mm / Carga = 400g

Folga máx. axial 0.03 mm / Cargo = 500g

Detent torque 0.06 gf.cm

Inércia do rotor 48 g.cm2

Quantidade de fios 6

Peso 0.22 Kg

Independentemente do número de fios, motores unipolares são acionados damesma forma. O fio de center tap está ligado a uma fonte de alimentação e as

2.2 Motores de Passo 12

Tabela 2: Características elétricas do motor de passo modelo AK39HY/12-1.8 [5]Conexão Holding

Torque(kgf.cm)

Corrente(mA/fase)

Tensão(V/fase)

Resistência(Ω/fase)

Indutância(mH/fase)

Bipolar -Série

1.10 70 16.8 140 148

Unipolar 0.77 100 12 70 37

pontas dos enrolamentos são aterradas alternadamente. O sentido da correnteatravés dos enrolamentos do estator determina quais pólos do estator atrairãoquais pólos do motor. O sentido da corrente depende da metade do enrolamentoque é energizada. A Figura 5 e a Figura 6 mostram respectivamente o esquemade ligação e a sequência de acionamento do motor utilizado.

Figura 5: Esquema de ligação do motor de passo modelo AK39HY/12-1.8.[5]

Figura 6: Sequência de acionamento do motor de passo modelo AK39HY/12-1.8.[5]

2.3 Solenoide 13

2.3 Solenoide

O solenoide, é um conjunto de espiras de mesmo eixo espaçadas uniformemente.Aplicando uma corrente elétrica neste fio condutor ele irá gerar um campo mag-nético ao redor e no interior do solenóide. O campo magnético no seu interior éuniforme e as linhas do campo são paralelas ao seu eixo, como mostra a figura7. O campo do solenoide é bem semelhante ao campo de um ímã em forma debarra, onde a extremidade por onde saem as linhas de campo é o polo norte, e aextremidade por onde entram as linhas de campo é o polo sul. [6] [7]

Figura 7: Esquemático de um solenoide.[7]

No interior de um solenóide temos um campo uniforme, cuja intesidade édada pela seguinte fórmula:

B = µo ·NL· i (1)

Onde N é o número de espiras e L o comprimento. [7]Para este projeto um solenoide foi utilizado para a movimentação da caneta:

levantar e abaixar.

2.4 Ponte H

Para realizar o controle sobre os motores de passo ou sobre motores DC, utiliza-seum circuito composto por transistores de potência chamado de ponte H.

A ponte H é um circuito eletrônico que permite que o microcontrolador for-neça a corrente necessária para o funcionamento do Motor de corrente contínua,visto que o microcontrolador normalmente trabalha em 5V e em baixas correntes,enquanto o motor de passo costuma exigir altas potências. Além disso, a Ponte Htorna possível que o motor de passo rode tanto para um sentido quanto o outro,pois permite controlar a direção em que a corrente é aplicada. [8]

Neste projeto foi utilizado o circuito integrado L293D, que possui duas pontesH.

2.5 Microcontrolador 14

2.4.1 Driver L293D

O L293D possui internamente 2 Pontes H e suporta uma corrente de saída de600mA por canal, ou seja, com dois L293D será possível controlar os 2 enrola-mentos do projeto com 600mA cada. [9]

A Figura 8 é um exemplo de como o L293D pode ser utilizado. Este diagramamostra as ligações do driver para controlar um motor de passo (stepper).

Figura 8: Diagrama de ligações do driver L293D.[10]

Para este projeto foi utilizado o Motor Shield L293D Driver Ponte H, devido asua praticidade em definir comandos como o sentido e velocidade de motores depasso. Outro motivo para a escolha deste shield foi que para a realização desteprojeto só haveria a necessidade da compra de um. Este shield possui o driverL293D, é compatível com o Arduino.

As principais características do Motor Shield são: [9]

• Tensão máxima para a utilização do jumper Vin_Mot: 12V

• Corrente máxima (Motor): 600mA

Todas as conexões lógicas necessárias entre o Arduino e o driver do motor, in-cluindo VDD, são feitas automaticamente quando o shield está ligado ao Arduino.Os canais de drivers, localizados em cada lado destes pinos de alimentação, po-dem ser utilizados para controlar de forma independente os motores, porém sóserá possível controlar um motor de passo por vez. A Figura 9 mostra a a confi-guração deste shield com o Arduino. O Arduino é alimentado separadamente doshield, através de seu conector USB ou tomada de energia.

2.5 Microcontrolador

Um microcontrolador é a integração de um processador, memória e periféricosde entrada e de saída. É um microprocessador de propósito especial, ou seja,que pode ser programado para funções específicas, comparados com outros mi-croprocessadores de propósito gerais (como os utilizados nos PCs). Eles são em-barcados em um único chip, no interior de algum outro dispositivo (geralmente


Figura 9: Diagrama de ligações do shield.[11]

um produto comercializado) para que possam controlar as funções ou ações doproduto. Neste chip há todos os circuitos integrados periféricos necessários utili-zados na área de controle de processos. [12] [16]

2.5.1 Arduino

O Arduino é uma plataforma para prototipagem em eletrônica. É uma ferra-menta open-source baseada em uma placa única com um microcontrolador e su-porte para periféricos de entrada e saída. Este microcontrolador é programadono ambiente de desenvolvimento Arduino. [13]

O Arduino promove uma fácil comunicação entre usuário, hardware e soft-ware. Pode ser facilmente utilizado na composição de objetos interativos, rece-bendo como entrada uma variedade de interruptores e sensores, e controlandoluzes, motores ou outras saídas físicas. Seu software livre pode ser executado emqualquer sistema operacional e utiliza uma linguagem de fácil entendimento eutilização. [13]

O projeto utilizou o Arduino, para controlar os dois motores de passo. NoArduino será implementado o programa responsável por repassar a cada motoro comando necessário para a caneta percorrer o desenho previamente mapeado.Especificamente foi utilizado o modelo Mega 2560 (Figura 10), dotado de ummicrocontrolador Atmega2560, com 54 entradas/saídas digitais (sendo 15 utili-záveis como saída PWM), 16 entradas analógicas, 256 KB de memória Flash, 8KBde memória RAM, 4KB de memória EEPROM, e 16MHz de Clock. Sua escolhafoi determinada por sua capacidade de processamento atender todos requisitosdo projeto. [14]


Para o funcionamento do Arduino é necessário que exista um software paracontrole deste. O usuário é quem cria o código que será utilizado. A linguagemde programaçao que controla o Arduino é muito semelhante á linguagem C++. Épossível criar e utilizar bibliotecas já prontas, nos quais os cabeçalhos contêm asdefiniç˜oes da biblioteca [14]

Figura 10: Arduino Mega.[17]


3 Fundamentação Teórica

Considere o sistema de coordenadas da Figura 11, onde p1 = (0,0) denota o polop1 e p2 = (D,0), o polo p2. Dado o ponto (x,y) com relação ao polo p1, sua coor-denada em relação ao polo p2 é (D−x,y). L1 =

√x2 + y2 e R1 =

√(D− x)2 + y2 são

as distâncias do ponto (x,y) aos polos p1 e p2, respectivamente.

Figura 11: Sistema de coordenadas

Conhecida a posição atual da caneta, (x,y), um deslocamento da caneta paraa posição (x+ dx,y+ dy) pode ser obtido alterando-se as distâncias L1 e R1 paraL1 +δL e R1 +δR, onde δL e δR são dados por:

L1 =√

x2 + y2

L2 =√

(x+dx)2 +(y+dy)2

=√

x2 +2 · x ·dx+dx2 + y2 +2 · y ·dy+dy2

=√

x2 + y2 +2 · (x ·dx+ y ·dy)+dx2 +dy2

L2−L1 =√

x2 + y2 +2 · (x ·dx+ y ·dy)+dx2 +dy2−√

x2 + y2

δL=√

L21 +2 · (x ·dx+y ·dy)+dx2 +dy2−L1


R1 =√

(D− x)2 + y2

R2 =√

((D− (x+dx))2 +(y+dy)2

=√

D2−2 ·D · (x+dx)+(x+dx)2 + y2 +2 · y ·dy+dy2

=√

D2−2 ·D · x−2 ·D ·dx+ x2 +2 · x ·dx+dx2 + y2 +2 · y ·dy+dy2

=√(D− x)2 + y2 +2 · ((x−D) ·dx+ y ·dy)+dx2 +dy2

R2−R1 =√

(D− x)2 + y2 +2 · ((x−D) ·dx+ y ·dy)+dx2 +dy2−√(D− x)2 + y2

δR =√

R21 +2 · ((x−D) ·dx+y ·dy)+dx2 +dy2−R1

Portanto, para deslocar a caneta do ponto atual (x,y), para o ponto (x+dx,y+dy), os motores de passo deverão rotacionar as roldanas de modo que os compri-mentos L1 e R1 das cordas sejam alongados de δL e δR unidades de comprimento.Feito isso, os novos comprimentos das cordas serão L2 = L1 +δL e R2 = R1 +δR.

4 Metodologia 19

4 Metodologia

Nesta seção serão apresentadas as etapas de execução do projeto. Esta sessão temcomo objetivo explicar como cada parte foi elaborada, construída e integrada aotodo.

4.1 Hardware

A partir da elaboração teórica, os componentes necessários forão comprados epode-se dar início à construção das partes do hardware e aos testes.

4.1.1 Integração entre motor de passo, ponte H e Arduino

Nesta fase de integração, forão realizados testes referentes ao funcionamento dosmotores bem como testes relativos ao seu controle por meio do microcontrolador.

Como não houve sucesso na criação da ponte H, um shield foi comprado. Oshield possui dois L293D, portanto é capaz de controlar os dois motores de passoindependentemente. O objetivo principal da utilização da ponte H neste projetoé a sua capacidade de amplificar a corrente da saída do Arduino, somente dessemodo é possível controlar os motores de passo com a devida corrente necessária.

Após a compra do shield, foi então, possível integrar o motor de passo e aplataforma Arduino. Para os motores de passo terem força suficiente para rodara polia, é necessário tensão maior que os 5V fornecidos pelo Arduino, por isso éligado uma fonte de 12V no shield.

Primeiramente foi encaixado o shield no Arduino Mega (Figura 12). Em se-guida foi ligado os dois motores de passo em cada um dos lados do shield e afonte de 12V. Depois de ligado o Arduino no computador pode-se fazer os pri-meiros testes para aprender o funcionamento e como o código fonte movimentaos motores.

4.1.2 Movimentação da caneta

Com a integração entre motores, ponte H e microprocessador funcionando, se-ria possível começar a ser construída a estrutura da movimentação da caneta,coloca-la e tira-la do papel. Neste projeto apesar de ser uma tarefa proposta amovimentação da caneta não foi realizada, mesmo assim nesta seção será expli-cado como ela deveria ser feita.

Primeiramente, foi obtido um solenoide da marca KGS tipo SDC retirado deuma impressora antiga (Figura 17). Este solenoide será responsável pela movi-mentação da caneta. Graças a características do solenoide, ou seja, ele funcionarcomo um imã será possível baixar e levantar a caneta.

Funcionando a movimentação da caneta, ela será integrada a uma gôndolapara mais tarde poder ser pendurada na correia. Em seguida será integrada agôndola, os dois motores de passo, ponte H e o microprocessador. Por ultimoserá inserido as polias e as correias, para os testes serem iniciados na tentativa deavaliar o funcionamento na movimentação final da caneta, bem como na buscapor eventuais erros e suas correções.

4.2 Construção do software 20

Figura 12: Foto do shield encaixado no Arduino [11]

Figura 13: Foto da solenoide [11]

4.2 Construção do software

O software começou a ser desenvolvido em paralelo com o hardware objetivandoprimeiramente mapear o desenho a ser plotado e posteriormente conseguir ma-pear a área de plotagem de acordo com a distância da caneta a cada polia, paraao final associar ambos os mapeamentos.

No começo do projeto foi constatado que não seria possível utilizar somenteformato bitmap, para a conversão da imagem, uma vez que, não iríamos impri-


mir ponto a ponto e sim desenhar todas as linhas no desenho.Resumidamente no decorrer do projeto o principal problema encontrado foi

para transferir uma imagem digital para uma imagem desenhada pelo plotter.De maneira mais específica, a imagem deve ser transformada em uma série decomandos que controlem os motores e por consequência a caneta.

Seria impraticável para este projeto fazer um plotter vertical que oferecesseimpressão em cores ou que fosse capaz de produzir efeitos de sombra. Optamospor desenhar apenas os contornos da imagem, para produzir um desenho fiel àentrada e ao mesmo tempo simplificado. Para poder fazer a impressão em coresou fazer sombras seria necessário mais tempo para pesquisas e mais dinheiropara a compra dos componentes necessários.

O processo de transferência então foi dividido em identificar os contornosda imagem, transformá-los em uma sequência de ação e por fim traduzir estasequência em uma série de comandos para o Arduino. Isso evita que o Arduinoseja sobrecarregado com tarefas que poderiam exigir mais do que pode ser feitocom seus recursos limitados.

Como já mencionado, utilizamos um shield para Arduino chamado Motor Shi-eld. Para controlar os motores ligados ao shield, o fabricante fornece também umabiblioteca de funções, todas muito intuitivas, facilitando a programação. Dessaforma, nao são necessárias mais que algumas linhas de código, como mostra oseguinte exemplo de utilização da biblioteca AFMotor.h:

AF_Stepper motor (200, 2);

void setup ()

Serial.begin(9600);motor.setSpeed(50);

void loop ()

motor.step(200, FORWARD, SINGLE);motor.step(100, BACKWARD, SINGLE);


Neste trecho de código é definido os dois motores, suas velocidades e quantospassos eles tem.

Resolvido o problema do controle dos motores, o desenvolvimento de soft-ware foi focado no processamento de imagem. Para isso, utilizamos o ambientede desenvolvimento Processing. Desenvolvido em Java para manipular imagens,ele tem uma interface amigável e simplificada, mas ao mesmo tempo possui fun-ções avançadas [18]. Foi neste ambiente que a IDE do Arduino foi baseada. Esseambiente não requer uma programação muito avançada e evita expor o usuárioaspectos de baixo nível em processamento de imagem.

No Processing, o primeiro problema a ser resolvido foi a identificação de bor-das em uma imagem. Para isso, utilizamos um filtro chamado Detector de bordasde Canny. Esse filtro é conhecido por ter diversas aplicações, de detectar imper-feições em uma peça mecânica a identificar texto em uma imagem. [19]

Foi utilizado um filtro já implementado em uma classe Java, e em seguida elefoi importado como uma biblioteca no Processing. Um exemplo de utilização dodetector borda então pode ser visto no seguinte programa:

import java.awt.image.BufferedImage;import java.util.Arrays;

PImage input;PImage output;

CannyEdgeDetector detector;

void setup()

input = loadImage("input.jpg");detector = new CannyEdgeDetector();detector.setLowThreshold(0.5f);detector.setHighThreshold(1.0f);detector.setSourceImage((BufferedImage) input.getImage());detector.process();BufferedImage edges = detector.getEdgesImage();output = new PImage(edges);size(input.width, input.height);noLoop();


void draw()

image(output, 0, 0, width, height);save("data/output.jpg");

Esse programa e capaz de detectar bordas com grande qualidade como sepode observar na Figura 14. [19]

Figura 14: Programa para detectar bordas. [11]

O próximo passo foi transformar essas bordas em uma sequência de pontosque descreve o caminho a percorrer pela caneta no plotter. Para isso, a imagemdeveria se processada por um algoritmo que encontraria um caminho razoavel-mente eficiente entre todos os pixels da imagem.

Esse processo se assemelha muito ao famoso "Problema do Caixeiro Viajante",o qual sai de sua casa, traça um caminho eficiente pelos lugares que precisa visitar- sem repetir lugares - e volta para casa. No nosso caso, para desenhar apenas ocontorno da imagem, a caneta precisa percorrer todos os pixels das bordas, sedeslocando minimamente.

Pensando nisso, aplicou-se na imagem resultante da detecção de bordas umnovo algoritmo. Este identifica todos os pixels das bordas, e guarda em um vetorde pontos. Em seguida ele calcula a distância entre todos os pares de pontos eescolhe um caminho por todos eles.

Para esta tarefa, foi escolhido um algoritmo que a princípio não produz sem-pre o resultados mais correto, contudo encontra um caminho satisfatório com umtempo de execução razoável para a grande quantidade de pixels, o algoritmo do"Vizinho mais Próximo". Este algoritmo simplesmente parte para o pixel maispróximo a partir de sua posição atual.

4.3 Integração entre software e hardware 24

void nearestNeighbor()

ArrayList<PVector> pointsC = new ArrayList<PVector>(points);PVector current = new PVector();PVector next = new PVector();float shortest = I;int i = (int) pointsC.size() - 1;int j = (int) random(0, i);current = pointsC.get(j);path.add(current);pointsC.remove(j);doshortest = I;for (i = 0; i < pointsC.size(); i++)float dx = current.x - pointsC.get(i).x;float dy = current.y - pointsC.get(i).y;float d = sqrt(pow(dx, 2) + pow(dy, 2));if (d < shortest)shortest = d;next = pointsC.get(i);j = i;pointsC.remove(j);current = next;path.add(current);while (pointsC.size () > 0);

Esse programa permite também reduzir significativamente a quantidade depixels na imagem produzindo um resultado menos preciso, mas mais adequadoa capacidade do arduino (Figura 16).

4.3 Integração entre software e hardware

Tendo a estrutura física em correto funcionamento pode-se iniciar a integraçãoentre software e hardware. Uma vez implementado o software que gerará oscomandos necessários para a plotagem da imagem, o software passará esses co-mandos para o hardware, ou seja, ele passará aos motores de passo os comandosresponsáveis por liberar ou recolher as correias a fim de posicionar a caneta nolugar correto estipulado pelo mapeamento.

O processo final é transformar este caminho calculado em uma sequência decomandos para o Arduino. A grande dificuldade é que a imagem está em um

4.3 Integração entre software e hardware 25

Figura 15: Imagem antes e depois da redução do número de pixels. [11]

plano cartesiano, o qual não pode ser reproduzido diretamente no plotter. Osmovimentos da caneta são sempre hiperbólico.

Para contornar essa dificuldade, foi decidido criar uma solucão mais simples.Simulou-se o movimento do plotter em um programa, e a partir da simulaçãofoi obtido as variacões de comprimento das duas correias (Figura 16). Isso foipossível mais uma vez graças à facilidade de prototipagem no Processing.

Figura 16: Imagem da simulação do programa. [11]

O programa transforma essas variações em comandos para os motores depasso. Esses comandos são salvos em um arquivo que pode ser aberto direta-mente pela IDE do Arduido. Essa saída é a princípio transparente ao usuário,mas ao mesmo tempo pode ser editada e ajustada. Um exemplo de saída doprograma é o código a seguir:

#include <AFMotor.h>

4.4 Montagem do suporte 26

AF_Stepper motor1 (200, 1);

AF_Stepper motor2 (200, 2);

void setup ()

Serial.begin(9600);motor1.setSpeed(10);motor2.setSpeed(10);

void loop ()

motor1.step(10, FORWARD, SINGLE);motor2.step(6, BACKWARD, SINGLE);motor1.step(10, FORWARD, SINGLE);motor2.step(6, BACKWARD, SINGLE);motor1.step(10, FORWARD, SINGLE);motor2.step(6, BACKWARD, SINGLE);motor1.step(10, FORWARD, SINGLE);motor2.step(6, BACKWARD, SINGLE);

4.4 Montagem do suporte

Tanto as duas polias quanto o suporte vertical para o plotter foram construídoscom madeira. Foi optado por construi-los ao invés de comprá-los, para respei-tarem as medidas estipuladas e por ser mais barato, já que não houve custo dematerial. O suporte foi moldado para poder sustentar os dois motores de passo,o Arduino com o shield e a área do plotagem.

As polias foram feitas com diâmetro de 53mm e um eixo central de 5mm paraencaixar o eixo do motor. Foi necessário fazer uma depressão nas laterais daspolias para as correias não escorregarem (Figura 17).

Os dois motores foram instalados a 7cm do topo da área de plotagem. Parao suporte dos motores foram cortados dois quadrados de 40mm por 40mm. O


Figura 17: Foto de uma das polias construídas [11]

Figura 18: Foto do suporte construído para o Arduino. [11]


Arduino foi colocado na parte superior entre os dois motores atrás do suporte(Figura 18).

Os quatro pregos nos extremos superiores da área de plotagem foram adici-onados para que as correias ao serem movimentadas pelas polias não saiam dosuporte, fazendo com que não haja contato da caneta. Sem isso haveria partesfora da área de plotagem que a caneta poderia ter acesso. Com os pregos é ga-rantido que a área é delimitada. Delimitada em uma linha vertical e uma linhahorizontal a partir dos pregos.(Figura 19).

Figura 19: Foto dos pregos em uma das extremidades. [11]

Para a plotagem foi definida a área de 50cm por 50cm, ou seja 0,25m2. A áreatotal do suporte de madeira é de 0,49m2 (Figura 20).

5 Resultados e discussões 29

Figura 20: Foto do suporte construído [11]

5 Resultados e discussões

O resultado obtido com a máquina desenvolvida pela equipe foi condizente como custo e os materiais utilizados. Não se esperava obter uma alta precisão devidoa estrutura de madeira e porque os motores são acionados um por vez, quando omais correto e preciso era os dois motores seram acionados no mesmo intante ecom as mesmas velocidades.

O movimento da caneta para tira-la do papel e coloca-la utilizando a solenoidenão foi implementado. Sendo assim, os trabalhos futuros envolvendo o plottersão:

• Construir o mecanismo para tirar e colocar a caneta no papel, utilizandouma solenoide;

• Achar outras soluções para garantir maior precisão na hora da plotagem;

• Desenvolver mais o software para trabalhar com imagens mais detalhadasdeixando o minímo de pixels.

Não foi objetivo deste projeto a busca pela alta precisão e sim fazer algo mo-tivador, diferente e viável por ser um plotter de baixo custo. Considerando esteobjetivo, é possível dizer que o resultado foi satisfatório, ainda que existam me-lhorias a serem feitas.

6 Orçamento 30

6 Orçamento

O orçamento deste projeto está descrito na Tabela 3. O Arduino e os dois moto-res de passo foram disponibilizados pela universidade, com isso economizou-seaproximadamente 150 reais. Além disso, economizou-se dinheiro também no su-porte e nas duas polias.

Tabela 3: Orçamento do Plotter Vertical.Item Unidade Preço Total (reais)

Solenoide 1 25,00

Arduino 1 90,00

Shield 1 40,00

Motor de Passo 2 60,00

Correias 1 10,00

Polias 2 0,00

Suporte 1 0,00

Total 225,00

7 Conclusões 31

7 Conclusões

Neste projeto concluímos que é possível à construção de um plotter vertical coma utilização de Arduino de forma mais simplificada. Nesta disciplina tivemosa oportunidade de entrarmos em contato, pela primeira vez, com sistemas deatuadores e microcontroladores.

Considera-se que quase todos os objetivos propostos foram alcançados, comexceção do movimento da caneta. A equipe decidiu deixar esta parte como umtrabalho futuro para complementar o plotter aqui apresentado. A matéria deOficina de Integração II se tornou um desafio para a equipe, afinal conseguiutransformar o conhecimento teórico obtido em algo prático e estimulante.

A união da eletrônica, mecânica e computação trouxeram problemas à equipeque não seriam vistos dentro do ambiente acadêmico e que trazem lições que se-rão levadas para todos os projetos daqui para frente. Durante o processo foramsuperadas algumas dificuldades, que geraram muito conhecimento para equipe,inclusive sobre a importância prática, pois por muitas vezes somente o conheci-mento teórico não foi suficiente para solucionar os problemas.

O fato de possuir pouco conhecimento sobre o Arduino deixou o andamentodo projeto um pouco mais lento. Apesar do Arduino ser de fácil utilização e nãoprecisar de conhecimentos profundos em eletrônica e programação, já que hámuitas referências bibliográficas, foram encontradas dificuldades para a constru-ção do software. A principal dificuldade foi para que o software movimentasseos dois motores coordenadamente, coordenados principalmente na mesma velo-cidade. Porém o grande interesse e a vontade de produzir um protótipo de umplotter vertical que fosse capaz de desenhar uma imagem 2D impulsionaram aconstrução do mesmo. À medida que foi possível ver os primeiros resultados aequipe se sentiu motivada.

Podemos concluir que o tempo para a construção do plotter poderia ter sidomelhor aproveitado. Porém ressalta-se aqui que mesmo assim a realização desteprojeto foi satisfatória, pois proporcionou a equipe à oportunidade de aplicaros conhecimentos teóricos na produção de um artefato interessante no ponto devista mecânico, matemático, físico e computacional.

REFERÊNCIAS 32

Referências

[1] ZANELLATO, André; PEREIRA, Felipe; ASSENÇO, Hudo.Desenvolvimento de um Plotter 2D de Baixo Custo. Uni-versidade Tecnológica Federal do Paraná. Disponível em:<http://paginapessoal.utfpr.edu.br/msergio/portuguese/ensino-de-fisica/oficina-de-integracao- ii/oficina-de-integracao-ii/Relatorio20141Plotter2D.pdf> Data de acesso: 5 novembro 2014. 10

[2] Capítulo 3 - Transmissão de movimento. Centro Federalde Educação Tecnológica do Espírito Santo. Disponível em:<ftp://ftp.cefetes.br/cursos/Mecanica/T%E9cnico/Mec%E2nica%20T%E9cnica/cap3.prn.pdf> Data de acesso: 5 novembro 2014. 10

[3] BONANI, Eduardo. Sistema de Transmissão de MovimentoLinear em uma Junta Cilíndrica Robótica. Disponível em:<http://revistaeletronica.sp.senai.br/index.php/seer/article/viewFile/159/96> Data de acesso: 5 novembro 2014. 10

[4] JONES, Douglas. The University of Iowa. Disponível em:<http://homepage.cs.uiowa.edu/jones/step/an907a.pdf> Data de acesso: 5novembro 2014. 10, 11

[5] AKIYAMA. Motor de passo AK39H/12-1.8 - datasheet. Disponível em:<http://www.neoyama.com.br/site/uploads/sap/MOTOR%20DE%20PASSO%20-%20NEMA:%2017%20-%20Torque:%201%2010%20kgfcm%20-%20Corrente:%200%2010%20A%20-%20dat-I000388.pdf> Acesso em: 5de novembro de 2014. 4, 5, 11, 12

[6] LUIZ, Adir. Coleção Física 3 Eletromagnetismo, Teo-ria e problemas resolvidos, pag 188-190. Disponível em:<http://books.google.com.br/books?id=0UTEtpshrYMC&pg=PA188&dq=solenoide&hl=pt-BR&sa=X&ei=MxZaVIiCEcGhNo_Gg8AD&ved=0CCUQ6AEwAA#v=onepage&q=solenoide&f=false> Acesso em: 5 de novembro de2014. 13

[7] SAMPAIO; CALÇADA. Física, volume único – 2aedição – São Paulo, 2005.Atual Editora 4, 13

[8] BRAGA, Newton C. Conheça as pontes H-H. Saber Eletrônica, v. 329, p. 44–47,Junho 2000. 13

[9] L293D Quadruple Half-H Drivers. Disponível em:<http://www.ti.com/lit/ds/symlink/l293d.pdf> Acesso em: 5 de no-vembro de 2014 14

[10] Controlando Motor de Passo. Disponível em:<http://blog.filipeflop.com/motores-e-servos/controlando-motor-de-passo-5v-28byj-48-com-motor-shield.html> Acesso em: 9 de fevereiro de2015 4, 14

REFERÊNCIAS 33

[11] Autoria própria. Foto tirada em: 9 de fevereiro de 2015. 4, 15, 20, 23, 25, 27,28, 29

[12] SOUZA, Idalmir. Microprocessadores e Microcontroladores. Uni-versidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA. Disponível em:<http://www.academia.edu/6179674/Universidade_Federal_Rural_do_Semi-Árido_UFERSA_Engenharia_de_Energia> Acesso em: 5 de novembro de2014. 15

[13] ARDUINO. Disponível em: <http://arduino.cc/en/Main/Software>Acesso em: 10 outubro de 2014 15

[14] Disponível em: <http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega2560>Acesso em: 5 de novembro de 2014. 15, 16

[15] Disponível em: <http://2e5.com/plotter/V/design/> Acesso em: 12 de no-vembro de 2014. 4, 7, 8

[16] Disponível em: <http://www.univasf.edu.br/ leo-nardo.campos/Arquivos/Disciplinas/Micros_2008_2/Micros_Aula_01.pdf>Acesso em: 12 de novembro de 2014. 15

[17] Arduino Mega. Disponível em: <http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560>Acesso em: 09 de fevereiro de 2015. 4, 16

[18] Visualização por Computador: Teoria, Prática e Aplicações. Disponível em:<http://www.lcg.ufrj.br/Members/esperanc/Visualizacao/Slides/processing1.pdf>.Acesso em: 11 de fevereiro de 2015. 22

[19] Canny Edge Detector Implementation. Disponível em:<http://www.tomgibara.com/computer-vision/canny-edge-detector>.Acesso em: 11 de fevereiro de 2015. 22, 23

8 Cronograma 34

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9 Defesa 35

9 Defesa

A defesa deste projeto ocorrerá no dia 25 de fevereiro de 2015, a partir das 13 ho-ras. A defesa será no Campus Curitiba da Universidade Tecnológica do Paraná,na sala Q110.

plotter vertical - páginas pessoais -...

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