robÔ inteligente para uso na agricultura urbana
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FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE RONDONÓPOLIS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA E AMBIENTAL
ROBÔ INTELIGENTE PARA USO NA AGRICULTURA
URBANA
BACHAREL EM ENGENHARIA AGRÍCOLA E AMBIENTAL
HUMBERTO SANCHES VICENTE
Rondonópolis-MT - 2018
ROBÔ INTELIGENTE PARA USO NA AGRICULTURA URBANA
Por
HUMBERTO SANCHES VICENTE
Monografia apresentada à Universidade Federal de Mato Grosso como parte dos
requisitos do Curso de Graduação em Engenharia Agrícola e Ambiental para
obtenção do título de Bacharel em Engenharia Agrícola e Ambiental.
Orientador: Prof.Dr. Renildo Luiz Mion
Rondonópolis, Mato Grosso – Brasil
2018
AGRADECIMENTO
Meus agradecimentos, primeiramente, aos meus pais, Dirce Eugenia Sanches Vicente e
Edilson Vicente, por sempre me apoiarem em minhas decisões, fazendo de mim a pessoa que
sou hoje. Muito obrigado por tudo.
À minha família, irmão Henrique Sanches Vicente, e a todos os tios e primos que sempre
estiveram ao meu lado, me incentivando e me dando conselhos incomparáveis.
Em especial a minha esposa Jacqueline Duarte Mariano, por sempre estar ao meu lado,
e fazer com que seguisse pelo lado certo, me dedicando ao que realmente é importante e me
ajudando de diversas maneira para a conclusão do curso.
Ao meu Professor Orientador Dr°. Renildo Luiz Mion, pelas inúmeras orientações e
conselhos não só neste trabalho, mas em todos os projetos que realizamos junto.
Aos meus amigos do projeto Smart Agriculture, Adriano Silveira, Pedro Bastos, Samuel
Norato, Sidney Borba e Vinícius Dorileo (Big Show), pela dedicação e esforço, foi uma imensa
ajuda para a conclusão deste projeto.
Muito obrigado!
Humberto Sanches Vicente
RESUMO
O crescimento populacional das últimas décadas impulsiona o aumento territorial em diversas
metrópoles, a procura por alimentos e alimentos orgânicos torna-se cada vez mais abundante
decorrente a tal crescimento. A introdução de sistemas como a Inteligência Artificial – IA pode
levar a agricultura a um patamar de produção mais rápida e eficiente com qualidade e
sustentabilidade. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um robô que realiza
as etapas da produção de hortaliças de forma automatizada. O robô realiza tarefas como semear,
verificar a umidade do solo, irriga-lo e eliminar plantas infestantes se necessário, com suas
ferramentas de trabalho acopladas a um braço que se movimenta pelo impulso de motores de
Passo no eixo X, Y e Z, contando também com um computador Raspberry Pi 3, um
microcontrolador Arduino Mega 2570 e uma placa Shield CNC. Com um software open source
a programação das tarefas a serem realizadas são feitas no site do fabricante. Ao realizar a
programação cria-se as coordenadas para cada ferramenta, conseguindo assim, o seu
acoplamento para realização do trabalho. O robô se mostrou muito eficiente, locomovendo-se
com precisão e suavidade, realizando as sequencias de plantio, irrigação e medição da umidade
do solo com perfeição e exatidão, conforme a programação feita no software do fabricante. O
equipamento foi adaptado de um modelo norte americano, lançado em 2014.
Palavras-chave: Plantio automatizado; hortaliças; robótica agrícola.
ABSTRACT
The population growth of the last decades has boosted the territorial increase in severals
metropolis, the demand for food and organic food becomes more and more abundant due to
such growth. The introduction of systems such as Artificial Intelligence - AI can lead
agriculture to a faster and more efficient level of production with quality and sustainability.
This work had as objective the development of a robot that performs the steps of the production
of vegetables in an automated way. The robot performs tasks such as sowing, checking soil
moisture, irrigating it, and eliminating weeds if necessary, with its working tools coupled to an
arm that moves by the push of Step motors on the X, Y, and Z axes, counting also with a
Raspberry Pi 3 computer, an Arduino Mega 2570 microcontroller and a CNC Shield board.
With open source software, the scheduling of tasks to be performed is done on the
manufacturer's website. When performing the programming, the coordinates are created for
each tool, thus achieving its coupling to perform the work. The robot proved to be very efficient,
moving with precision and smoothness, realizing the sequences of planting, irrigation and soil
moisture measurement with perfection and accuracy, according to the programming made in
the manufacturer's software. The equipment was adapted from a North American model,
launched in 2014.
Keyword: Automated planting; vegetables; agricultural robotics.
LISTA DE FIGURAS
Figura 4.1: Esboço do robô, mostrando sua estrutura e direções X, Y e Z...............................14
Figura 4.2: Impressão de uma peça pela MakerBot Print modelo Replicator 2..........................16
Figura 4.3: Bico Semeador........................................................................................................16
Figura 4.4: Bico Irrigador..........................................................................................................17
Figura 4.5: Bico Sensor de Umidade..........................................................................................18
Figura 4.6: Bico Plantas Daninhas.............................................................................................18
Figura 4.7: Bandeja de Sementes...............................................................................................19
Figura 4.8: UTM Cover.............................................................................................................19
Figura 4.9: UTM Universal inferior...........................................................................................20
Figura 4.10: UTM Universal superior........................................................................................20
Figura 4.11: Fixador da Correia.................................................................................................21
Figura 4.12: Suporte Rosca Sem Fim.........................................................................................21
Figura 4.13: Caixa Eletrônica....................................................................................................22
Figura 4.14: Capa dos Motores..................................................................................................22
Figura 4.15: Base de madeira.....................................................................................................23
Figura 4.16: Placa de Tecnil para suporte dos trilhos do Eixo X................................................24
Figura 4.17: Trilhos de alumínio eixo X instalado em nível na base de madeira........................24
Figura 4.18: Pórtico instalado no Eixo X...................................................................................25
Figura 4.19: Placa para suporte de canto do Pórtico...................................................................26
Figura 4.20: Placa de rodas do eixo X........................................................................................27
Figura 4.21: Placa de rodas instalado no trilho do eixo X...........................................................27
Figura 4.22: Etapa de construção da Placa de Deslizamento Cruzado.......................................28
Figura 4.23: Parte traseira da Placa Deslizamento Cruzado instalada no eixo Y........................29
Figura 4.24: Parte frontal da Placa Deslizamento Cruzado........................................................29
Figura 4.25: Placa para suporte do motor Z, instalada no eixo Z................................................30
Figura 4.26: Fase de teste das placas eletrônicas conectadas aos motores..................................31
Figura 4.27: Bomba a Vácuo.....................................................................................................32
Figura 4.28: Válvula Solenoide.................................................................................................32
Figura 4.29: Sensor de umidade instalado no bico.....................................................................33
Figura 4.30: Fonte de Alimentação 12V....................................................................................34
Figura 4.31: O Robô Inteligente................................................................................................35
Figura 4.32: Programação pelo software para o plantio de cenoura, alface e couve-flor............36
Figura 4.33: Bico Semeador pegando a semente da Bandeja de Sementes.................................37
Figura 4.34: Bico Sensor de Umidade realizando a leitura no solo............................................37
Figura 4.35: Execução da sequência de irrigação.......................................................................38
Figura 4.36: Plantas germinadas................................................................................................39
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO..................................................................................................................... 9
2. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 10
2.1 Objetivo Geral ............................................................................................................ 10
2.2 Objetivo Específico .................................................................................................... 10
3. REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................................. 11
3.1 Crescimento Populacional.......................................................................................... 11
3.2 Agricultura Urbana .................................................................................................... 11
3.3 Automação Agrícola .................................................................................................. 12
3.4 Robótica na Agricultura ............................................................................................. 13
4. MATERIAL E MÉTODOS .................................................................................................. 14
4.1 Impressora 3D ............................................................................................................ 15
4.1.1 Bico Semeador ...................................................................................................... 16
4.1.2 Bico Irrigador ....................................................................................................... 17
4.1.3 Bico Sensor de Umidade........................................................................................ 17
4.1.4 Bico Plantas Daninhas ........................................................................................... 18
4.1.5 Bandeja de Sementes ............................................................................................. 19
4.1.6 UTM Cover .......................................................................................................... 19
4.1.7 UTM Universal ..................................................................................................... 20
4.1.8 Fixador da Correia................................................................................................. 21
4.1.9 Suporte Rosca Sem Fim......................................................................................... 21
4.1.10 Caixa Eletrônica.................................................................................................... 22
4.1.11 Capa dos Motores.................................................................................................. 22
4.2 Montagem Estrutural.................................................................................................. 23
4.2.1 Base de madeira ................................................................................................... 23
4.2.2 Trilhos Eixo X ...................................................................................................... 23
4.2.3 Pórtico.................................................................................................................. 25
4.2.4 Deslizamento Cruzado ........................................................................................... 28
4.2.5 Eixo Z .................................................................................................................. 30
4.3 Hardware .................................................................................................................... 31
4.3.1 Placas Eletrônicas e Motor de Passo NEMA 17 ....................................................... 31
4.3.2 Bomba a Vácuo..................................................................................................... 32
4.3.3 Válvula Solenoide ................................................................................................. 32
4.3.4 Sensor de Umidade ............................................................................................... 33
4.3.5 Fonte de Alimentação ............................................................................................ 33
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................................................... 35
6. CONCLUSÕES ................................................................................................................... 40
7. REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 41
8. APÊNDICE......................................................................................................................... 43
9
1. INTRODUÇÃO
A crescente urbanização sem planejamento no desenvolvimento social, apresenta-se
como um dos principais problemas da humanidade, como a falta de alimentos e sua
disponibilidade. O aumento demográfico das metrópoles implica na necessidade de aumentar a
produção de alimentos, para atender a demanda da população. Portanto, a necessidade do
aumento da produtividade, da qualidade e na eficiência na produção dos alimentos é de extrema
importância. Entende-se que a inovação sustentável não refere-se somente a novos conceitos,
mas também ao empreendedorismo e à comercialização das tecnologias, produtos e serviços
(CHARTER; CLARK, 2007).
Segundo Crestana e Fragalle (2012) a agricultura deve caminhar para o
desenvolvimento de métodos, processos, sistemas, sensores e equipamentos com vistas na
integração dos sistemas de produção e que sejam sustentáveis. A associação feita entre a
agricultura e o meio rural pode submeter a uma impressão de incompatibilidade entre a
agricultura e o meio urbano. A agricultura urbana é uma atividade que sempre se expressou
timidamente, porém não é uma prática antiga.
A inclusão de novas tecnologias, como novos processos de produção, pode fazer com
que o consumidor perceba a inovação e esteja disposto a adaptar-se para intensificar a produção
de alimentos. Por isso a robótica veio para contribuir com o aumento da eficiência, destacando-
se a velocidade de operação dos robôs que ultrapassa a dos humanos, além de dominar outras
habilidades, podendo trabalhar continuamente e de forma consistente com o mínimo de
manutenção (TANKE et al., 2011).
O desenvolvimento tecnológico contribui para aumentar a produtividade e eficiência
econômica à agropecuária. Atualmente a tendência é a substituição das máquinas com mais
potência e pesadas por tecnologias baseadas nas informações que podem propiciar operações
autônomas viáveis e confiáveis em campo (EARL et. al, 2000).
O Robô Inteligente para uso na Agricultura Urbana é uma máquina automatizada de
precisão e software projetado com as tecnologias atuais. Similar a uma impressora 3D e
máquinas de usinagem CNC, o hardware emprega guias lineares nas direções X, Y e Z que
permite o trabalho feito com suas ferramentas sendo elas um bico semeador, um bico irrigador,
um bico sensor de umidade do solo e um bico que elimina plantas daninhas.
10
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
Objetivou-se a construção de um robô que realiza o plantio, a irrigação e o controle de
plantas daninhas de forma automatizada para produção de hortaliças.
2.2 Objetivo Específico
Como objetivos específicos, têm-se:
• Construção e demonstração do processo de automação do equipamento;
• Projetar peças para conexão dos trilhos de extrusão de alumínio, placas e suportes;
• Adaptar o software e hardware do fabricante para as dimensões do presente
trabalho;
• Testar e ajustar o equipamento para seu devido funcionamento;
11
3. REVISÃO DE LITERATURA
3.1 Crescimento Populacional
A agricultura mundial passou, por uma série de transformações decorrentes do processo
de modernização, conhecida como Revolução Verde a partir da segunda guerra mundial. A
modernização consistiu na utilização de máquinas, insumos e técnicas produtivas que
permitiram aumentar a produtividade do trabalho e da terra (NUNES, 2007). A Revolução
Verde permitiu um pequeno aumento da oferta per capita mundial de alimentos.
Entre 1940 e 1970 a população brasileira passou de 41 para 93 milhões de pessoas, com
taxa média de crescimento de 2,8% ao ano (CARVALHO, 2004). O aumento da população nas
grandes cidades em grandes proporções se deu devido à falta de perspectivas de trabalho no
campo, onde os trabalhadores rurais começaram a migrar em busca de empregos e melhores
condições de vida, conhecido como êxodo rural (PAULO, 2010).
3.2 Agricultura Urbana
A agricultura urbana não é uma ocorrência recente, o surgimento das hortas
comunitárias ocorreu nos anos sessenta do Século XX. De acordo com Dieleman (2016) essas
hortas consistem em pequenos lotes para uso familiar em propriedades pública ou privada e
controlada de forma coletiva. Desse modo, os principais elementos de definição da agricultura
urbana são os tipos de atividades econômicas desenvolvidas, as categorias e as subcategorias
de produtos (alimentares e não-alimentares), característica locacional intra-urbano e periurbano
(essa localizada às margens da cidade, em contato mais próximo às áreas rurais) , tipos de áreas
onde a agricultura urbana é praticada, tipos de sistemas de produção e destino dos produtos e
escala de produção.
A produção de alimentos dentro do perímetro urbano e periurbano, aplicando métodos
intensivos, tem-se conta a inter-relação homem–cultivo–animal–meio ambiente e as facilidades
da infraestrutura urbanística que propiciam a estabilidade da força de trabalho e a produção
diversificada de cultivos e animais durante todo o ano, baseadas em práticas sustentáveis que
12
permitem a reciclagem dos resíduo (GRUPO NACIONAL DE AGRICULTURA URBANA,
2001).
Evidentemente, a agricultura urbana e a periurbana estimulam a produção orgânica de
alimentos nos grandes centros urbanos, aproveitando as áreas ociosas para promover o plantio
de hortaliças, ervas medicinais e aromáticas, plantas ornamentais, criação de pequenos animais
e instalação de micro agroindústrias. As fazendas urbanas podem ser definidas como hortas
plantadas em vasos, em containers adaptados, em praças, varandas, sacadas ou telhados de
edifícios e casas (COOK et al., 2015).
Mougeot (2000) destaca que uma característica relevante da agricultura urbana é a sua
integração com o sistema econômico, urbano, social e ecológico. Este grau de integração
depende, por um lado, da utilização dos recursos urbanos, tais como solo, trabalho, resíduos
orgânicos e água. Por outro lado, depende dos impactos causados para os cidadãos urbanos em
termos de segurança alimentar, ecologia, economia, coesão social, saúde, redução da pobreza e
significado cultural.
3.3 Automação Agrícola
A modernização agrícola no Brasil, iniciou-se após metade da década de 1960, quando
muitas indústrias de tratores, equipamentos agrícolas, fertilizantes químicos, rações e
medicamentos veterinários começaram a se instalar no país, contribuindo para o princípio de
uma transformação gradativa no campo, modificando inclusive a base produtiva, priorizando a
produção de produtos com fácil comercialização no mercado exterior (SILVA ,1998).
Ao final da década de 80 e início de 90, iniciou um novo ciclo de tecnologias aplicadas
à agricultura, principalmente no que se refere aos equipamentos agrícolas, pelas possibilidades
e alternativas para gerenciar, com precisão, os campos de produção. Evidentemente, a
automação, já em uso naquela época, facilitava o trabalho dos operadores de máquinas agrícolas
e a área técnica na tomada de decisão. Mas, com a disponibilização do GPS, por volta de 1990,
a melhoria da precisão para localização e navegação dos veículos, provocou-se uma onda de
atividades, estabelecendo a Agricultura de Precisão (TAYLOR; WHELAN, 2010).
Com a expansão demográfica, associado à transformação do perfil socioeconômico e a
busca por maior produtividade e qualidade fez com que agricultores recorressem a
equipamentos tecnológicos para modernizarem suas plantações, e os que ainda se recusam os
13
fazer uso dessa tecnologia acabam perdendo o espaço no mercado. De acordo com Christofidis
(1999) para qualquer tipo de empresa, a agricultura necessita ter capacidade de competir com a
concorrência, oferecendo qualidade e agilidade, e para tanto, existem diversos tipos de
máquinas que tornam mais rápidas as etapas do plantio, aragem, irrigação, colheita, etc.
3.4 Robótica na Agricultura
Uma das técnicas para intensificar a produção de alimentos é a robótica. Nos últimos
anos, diversos avanços foram feitos no setor. De acordo com Tanke et al (2011) a velocidade
de operação dos robôs ultrapassou a de humanos e eles estão alcançando outras habilidades,
podendo trabalhar continuamente e de forma consistente com o mínimo de manutenção. A
robotização das atividades agrícolas deve considerar todos os agentes envolvidos na produção
possibilitando a intensificação com o menor impacto possível.
Dá-se o nome de robô aos agentes capazes de realizar tarefas que alteram o espaço físico
com a utilização de atuadores e também são equipados com sensores o que lhe permite perceber
o ambiente (RUSSEL; NORVING, 2004).
A robótica na agricultura não é um conceito novo, em ambientes controlados (estufas)
tem uma história de mais de 20 anos. Estudos vêm sendo realizados para desenvolver
colhedoras para o tomate cereja, pepino, cogumelos e frutas. Na horticultura, robôs foram
utilizados para a colheita de citrinos e maçãs. Em criação de gado leiteiro, a ordenha realizada
por robôs é muito comum na Holanda (NOGUCHI, 2010).
Segundo Tanke et al (2011) hidroponia é uma boa plataforma para automação robótica
porque exige um trabalho periódico, uma abordagem sistemática, movimento repetitivo e um
ambiente estruturado. Assim, combinando hidroponia e melhorias robóticas obtém-se eficiência
de crescimento de plantas, aumento da produtividade e diminuição as perdas.
De acordo com Oliveira (2009), até o presente estágio de desenvolvimento da
tecnologia, a adoção da robótica vem sendo estimulada principalmente pela avaliação do
retorno econômico, essencialmente promovido pela eficiência na aplicação diferenciada de
insumos. Entretanto a tecnologia deve ser entendida como um sistema de produção agrícola que
integra a informação dentro de uma visão holística da produção.
14
4. MATERIAL E MÉTODOS
A construção do equipamento foi realizado na Universidade Federal de Mato Grosso,
campus Rondonópolis – MT, desenvolvido no Laboratório de Máquinas e Mecanização
Agrícola, do curso de Engenharia Agrícola e Ambiental, no período de Fevereiro 2018 a Julho
2018.
O robô foi construído com extrusão de alumínio e rodas V-Slot, placas e suportes. O
equipamento tem uma área de plantio de aproximadamente 1 m², possui as seguintes dimensões
de um metro de comprimento, um metro de largura e conseguindo suportar plantas de ate
sessenta centímetros de altura.
Similar a impressoras 3D e máquinas de usinagem CNC, o hardware emprega guias
lineares nas direções X, Y e Z que permite o equipamento trabalhar com suas ferramentas, como
pode ser observado na Figura 4.1. Essas ferramentas são os bicos que são mudados conforme a
tarefa a ser executada, sendo, um bico semeador, um bico irrigador, um bico com sensor de
umidade do solo e um bico que elimina plantas daninhas.
Figura 4.1: Esboço do robô, mostrando sua estrutura e direções X, Y e Z.
Para realização da semeadura, irrigação e medição da umidade do solo o equipamento
é impulsionado por quatro motores de passo NEMA 17 com codificadores rotativos, um
microcontrolador Arduino Mega 2570 com uma placa Shield CNC, e um computador
Raspberry Pi 3.
Com dois trilhos em paralelo fixos a uma base de madeira, que estende-se na direção X
e um Pórtico que abrange as faixas e se move ao longo deles. Montado para conectar-se ao
15
Pórtico a placa Movimento Cruzado se move na direção Y e dimensionado como suporte do
eixo Z, que assim trabalha com suas ferramentas. O projeto de montagem das ferramentas
citadas permite o fácil dimensionamento nas direções X, Y e Z, se locomovendo com exatidão.
Sendo um projeto tanto de hardware como de software todo o sistema é automatizado e
controlado numericamente. Com um software de nuvem em base open source, o usuário pode
projetar, programar e controlar seu hardware da maneira que desejar.
O usuário é capaz de controla-lo manualmente, através da interface web usando alguns
botões de controle simples. Um motivo para usar o controle manual é no caso de início da
programação, manutenção ou resoluções de problemas que requer o movimento exato dos
componentes.
Para usar o software do equipamento, é preciso criar uma conta de usuário pelo site
https://my.farm.bot/ para que seu trabalho e dados podem ser salvos e mais tarde acessados.
O perfil do usuário precisará estar relacionado ao hardware para fornecer autenticação
ao carregar o código de controle numérico para o hardware, ou seja, o software precisa saber
exatamente qual hardware o usuário possui e sua configuração atual. Caso contrário, o usuário
pode agendar as operações que não podem ser concluídas ou o controle numérico enviado para
a máquina não será compatível.
Na programação existe a possibilidade do uso de aplicativo em celular, tablete e
notebook para monitorar o sistema via Wi-Fi, devido ao uso de um microcomputador tipo
Raspberry Pi3®. A sua interface da Web é lida pelo microcomputador Raspberry Pi3®, e
interpretada para o microcontrolador Arduino, que deverá enviar os comandos para todos os
sensores, motores e outros equipamento e também mostrar os dados em tempo real de volta
online. Portanto, o microcomputador terá seu próprio sistema operacional incorporado, que
poderá interpretar o código, enviar e receber dados para os motores e sensores.
4.1 Impressora 3D
Para iniciar a fabricação do equipamento algumas peças foram impressas em impressora
3D, da marca MakerBot Print modelo Replicator 2. Com a utilização do software SolidWorks
as peças são projetadas e passadas para o software da impressora 3D, e então gravadas em um
cartão de memória para imprimi-las na impressora que trabalha com o polímero Ácido
Poliláctico (PLA). Na Figura 4.2 pode ser observada a impressão de uma peça.
16
Figura 4.2: Impressão de uma peça pela MakerBot Print modelo Replicator 2.
4.1.1 Bico Semeador
O bico semeador possui três imãs de neodímio para mante-lo conectado ao sistema de
engate rápido do robô. Possui um orifício por onde é conectado a mangueira do vácuo e na sua
ponta contém uma agulha que pode ser substituído conforme as dimensões da sementes a ser
usada. (Figura 4.3).
Figura 4.3: Bico Semeador.
17
4.1.2 Bico Irrigador
O bico irrigador foi dimensionado para a água ser liberada como um chuveiro, de forma
suave, sem que haja danos nas plantas e no solo, trabalhando juntamente com uma válvula
solenoide que libera a água apenas quando acionada por um tempo determinado na
programação. A irrigação é feita de acordo com as coordenadas das plantas, portanto ela é
realizada em cima de cada uma. No bico foi instalado três ímãs de Neodímio para ser acoplado
pelo UTM Universal, conforme a Figura 4.4.
Figura 4.4: Bico Irrigador.
4.1.3 Bico Sensor de Umidade
Este conector possui um sensor de umidade responsável para realizar as leituras da
umidade do solo. É construído baseado na capacitância do solo e, envia informações para o
sistema de aquisição de dados em que é realizado o processamento dos dados e transmite
informação se é o momento para irrigar ou não, conforme a programação feita pelo usuário.
Possui três imãs de Neodímio para ser acoplados pelo UTM Universal. (Figura 4.5)
18
Figura 4.5: Bico Sensor de Umidade.
4.1.4 Bico Plantas Daninhas
Este bico foi fabricado com a intenção de eliminar as plantas daninhas, esmagando-as
contra o solo quando detectadas. A identificação das plantas infestantes é realizado por uma
câmera instalado no eixo Z do equipamento. Neste bico foi instalado três pás que realiza o
esmagamento da planta e três ímãs de Neodímio para ser acoplado pelo UTM Universal. (Figura
4.6).
Figura 4.6: Bico Plantas Daninhas.
19
4.1.5 Bandeja de Sementes
A bandeja de sementes pode armazenar 16 tipos diferentes de sementes. Em sua
programação é identificado cada coordenada, identificando-as como 1A, 2A, 3A, 4A, 1B, 2B,
3B, 4B, 1C, 2C..., onde, em cada espaço tem um tipo de semente, e assim, o bico semeador irá
pegar a semente com exatidão, semeando-as em um local também já estabelecido pela
programação. Na (Figura 4.7), pode ser observado a bandeja de sementes.
Figura 4.7: Bandeja de Sementes.
4.1.6 UTM Cover
O UTM Cover é o suporte primário das mangueiras e fios para o UTM Universal. Ele é
fixado no eixo Z, conforme a (Figura 4.8).
Figura 4.8: UTM Cover.
20
4.1.7 UTM Universal
Este é o suporte secundário, que é instalado abaixo do UTM Cover. Nele inseriu-se as
mangueiras de água e ar por conectores pneumáticos de engate rápido, os fios do sensor de
umidade, anéis de vedação, e três ímãs de Neodímio para o devido acoplamento nos bicos
descritos acima, como pode ser visualizado nas (Figuras 4.9 e 4.10).
Figura 4.9: UTM Universal inferior.
Figura 4.10: UTM Universal superior.
21
4.1.8 Fixador da Correia
Esta peça tem por finalidade fixar as correias dentadas. Nele existem três aberturas que
ao passar a correia a mesma fica bem firme. Esta peça é instalada com cautela para que a correia
não fique muito esticada, nem muito frouxa, sendo utilizadas nos eixos X e Y (Figura 4.11).
Figura 4.11: Fixador da Correia.
4.1.9 Suporte Rosca Sem Fim
Este suporte é responsável pela fixação do eixo Z, ele é instalado na placa do
Deslizamento Cruzado. O motor ao ser acionado move a rosca sem fim, que ao passar pelo
suporte move todo o eixo Z para cima ou para baixo (Figura 4.12).
Figura 4.12: Suporte Rosca Sem Fim.
22
4.1.10 Caixa Eletrônica
A caixa eletrônica foi projetada para manter os componentes eletrônicos em segurança.
Nela é instalada o Raspberry Pi 3, o Arduino Mega 2570 a Placa Shield CNC acoplada no
Arduino, e uma placa do sensor de umidade do solo (Figura 4.13).
Figura 4.13: Caixa Eletrônica.
4.1.11 Capa dos Motores
As capas dos motores foram confeccionadas com a intenção de proteger os motores de
intemperes, Sol, chuva e sujeira. Sendo duas para os motores do eixo X, e uma para o motor
do eixo Y, e uma capa com o designe diferente para o motor do eixo Z, como observado na
(Figura 4.14).
Figura 4.14: Capa dos Motores.
23
4.2 Montagem Estrutural
4.2.1 Base de madeira
A base do projeto foi construída de madeira com as dimensões de 1,1 x 1 x 0,3 m
(comprimento, largura e profundidade), e reforçada em cada quina com vigas também de
madeira, as quais foram fixadas com parafusos M8 x 100 mm de comprimento, arruelas e porcas
auto-travante. Essa base será preenchida com uma camada solo e sustentará todo o equipamento
(Figura 4.15).
Figura 4.15: Base de madeira.
4.2.2 Trilhos Eixo X
Os trilhos de extrusão de alumínio em V-slot dão ao equipamento o movimento com
precisão nas direções X e Y. O eixo X é composto por dois trilhos, os quais são instalados em
paralelo.
Os trilhos obtêm grande precisão na sua locomoção de forma simples e eficiente,
permitindo que o equipamento retorne a sua posição inicial rapidamente. Com a utilização dos
trilhos, na área plantada não há compactação no solo e nem esmagamento da planta .
Os trilhos do eixo X é responsável pelo movimento linear do equipamento, para frente
e para trás, o qual é composto por duas barras de extrusão de alumínio em V-Slot, com 1m de
24
comprimento cada. Ambos foram instalados em paralelo na base de madeira com placas de
Tecnil, duas para cada lado, conforme a (Figura 4.16).
Figura 4.16: Placa de Tecnil para suporte dos trilhos do Eixo X.
As placas foram fixadas a base de madeira com parafusos de madeira, tomando o
cuidado de deixar os trilhos na mesma altura e alinhados ao longo do seu comprimento, de
modo que o equipamento se mova suavemente.
Os trilhos são fixados na placa de Tecnil com parafusos M5 x 10mm e porcas auto-
travante. Para confirmação desta correta instalação foi utilizado uma régua de nível em cima
dos trilhos, como pode ser observado na (Figura 4.17).
Figura 4.17: Trilhos de alumínio eixo X instalado em nível na base de madeira.
25
4.2.3 Pórtico
O Pórtico é um componente estrutural encaixado aos dois trilhos do eixo X (Figura
4.18), que por meio de um sistema de acionamento se move na direção X. Ele serve como um
guia linear para o deslizamento cruzado, que se move na direção Y, o qual também é usado
como base para a montagem de outras ferramentas, como a caixa das placas eletrônicas.
Figura 4.18: Pórtico instalado no Eixo X.
Os componentes estruturais do pórtico conta com três trilhos de alumínio de extrusão
V-slot, conectados por quatro placas. Duas placas são usadas em sua base, que foram
encaixados aos trilhos do eixo X e dará o movimento por rodas e correia dentada ligadas ao
motor de passo e pinhão. As outras duas placas são para fixar a estrutura do pórtico, juntando
os dois trilhos da vertical com o trilho da horizontal.
A construção do pórtico iniciou-se na fabricação da placa para suporte de canto, a qual
juntará as duas vigas com a coluna. Esta placa de fixação é de aço e para fixa-las foram
utilizados parafusos M5 x 10mm e porcas M5. As porcas dos parafusos são introduzidas por
dentro do trilho de alumínio, o qual, ao apertar os parafusos todos fiquem bem firmes (Figura
4.19).
26
Figura 4.19: Placa para suporte de canto do Pórtico.
O mesmo procedimento foi realizado com a outra placa, tomando o cuidado de instalar
a placa na mesma altura para ambas ficarem alinhadas e em nível. Após as duas vigas estarem
com as placa instaladas, foram fixadas nelas a coluna, também com parafusos M5 x10mm e
porcas M5.
Com a estrutura quase pronta realizou-se a fabricação de duas placas de rodas. Nelas
são instaladas as rodas para deslizamento e o motor de passo e fixada no pórtico.
Para cada placa foram instaladas sete rodas em V-slot, quatro que passará na parte
superior do trilho, e três na parte inferior do eixo X. Cada rodas obtêm dois rolamentos em seu
interior. Para fixar as rodas nas placas foram utilizados parafusos M5 x 30mm, porcas auto-
travante e arruelas, apertando-as com cautela para não deixar as rodas travadas. As arruelas
foram usadas como espaçadores, o qual dá a distância necessária para a placa não bater no
trilho. Na (Figura 4.20), pode ser observada a placa de rodas do eixo X.
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Figura 4.20: Placa de rodas do eixo X.
Para a devida locomoção do pórtico, foram instalados em cada placa de rodas um motor
de passo, contendo na ponta do eixo polia GT2 de vinte dentes com parafusos de fixação. A
correia dentada foi instalada no eixo X, com o fixador de correias, como já descritos
anteriormente, passando pela polia dentada GT2, deixando-a com bem fixa, porém não muito
apertada, pois, influenciaria no movimento de rotação do motor. Na (Figura 4.21), pode ser
observado a placa de rodas instalado no trilho do eixo X.
Figura 4.21: Placa de rodas instalado no trilho do eixo X.
28
Posteriormente, com o pórtico instalado a base do equipamento, foi fixado em uma das
vigas a caixa eletrônica e na outra a bomba a vácuo.
Realizou-se também um teste manual, empurrando-o para frente e para trás, visando sua
correta movimentação, sem que haja nenhuma interferência, ou desalinhamento.
4.2.4 Deslizamento Cruzado
O deslizamento cruzado se move na direção Y através do pórtico. Ele permite que o
equipamento realize as operações em qualquer lugar no plano X Y, e é movido por um motor
de passo NEMA 17, funcionando como base para o eixo Z.
A montagem da placa de deslizamento cruzado pode ser dividida em três etapas. A
primeira foi a construção da placa, nesta etapa deve-se ter bastante cautela e atenção para seus
componentes e parafusos não sobreporem uns aos outros, pois ela é usada para diversas funções.
Na (Figura 4.22), podemos observar a construção da Placa de Deslizamento Cruzado.
Figura 4.22: Etapa de construção da Placa de Deslizamento Cruzado.
Na segunda etapa da construção foi realizada a montagem da parte traseira da placa, a
qual dará ao equipamento o movimento no eixo Y. Para isso foram utilizados cinco rodas em
V-Slot e um motor de passo. As rodas são fixadas na placa com parafusos M5 x 30mm com
arruelas e porcas auto-travante. Posteriormente foi realizado a instalação do motor de passo,
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que igual aos motores do eixo X contém um polia GT2 com vinte dentes na ponta de seu eixo,
como pode ser observado na (Figura 4.23).
Figura 4.23: Parte traseira da Placa Deslizamento Cruzado instalada no eixo Y.
Na terceira e última etapa, foi realizado a montagem da parte frontal da placa, a qual
sustenta os componentes do eixo Z. Utilizando parafusos M5 x 30mm quatro rodas V-Slot
foram fixadas na placa com arruelas e porcas auto-travante para o acoplamento da barra de
alumínio do eixo Z. Em seguida foi fixado a placa o suporte da rosca sem fim, como pode ser
observado na (Figura 4.24).
Figura 4.24: Parte frontal da Placa Deslizamento Cruzado.
30
Contudo, após todos os componentes da placa estarem instalados, a mesma foi
encaixada ao trilho da coluna do pórtico. Para ocorrer o devido deslizamento da placa no eixo
Y foi utilizado uma correia dentada, que é fixa nas extremidades do trilho com o Fixador da
Correia, já descrita anteriormente. Igualmente ao pórtico, a correia deve ser bem fixada e
esticada, porém não tão apertada para não afetar a rotação do motor.
4.2.5 Eixo Z
O eixo Z se conecta a placa deslizamento cruzado e fornece o movimento na direção Z.
Ele serve como base para conectar o suporte UTM Cover e UTM Universal para o acoplamento
dos bicos, e como fixador de uma placa que sustenta o motor de passo NEMA 17 que dará o
movimento da rosca sem fim. A montagem do eixo Z iniciou-se na fabricação de uma placa
para o motor Z. Esta chapa é de aço suporta um motor de passo, onde, em sua ponta é conectado
a rosca sem fim e fora instalada na parte superior do trilho do eixo Z.
Uma barra de alumínio de extrusão V-Slot, foi encaixada na placa do deslizamento
cruzado, passando-a pelas rodas do lado frontal da placa. Nesta barra foi fixada a placa para
suporte do motor Z, com parafusos M5 x 10mm e porcas. O motor ao ficar com seu eixo para
baixo foi fixado em sua ponta um acoplamento flex pelo lado de 5mm, em sua outra
extremidade foi encaixado uma barra sem fim de 8mm, a qual passa pelo seu suporte fixo na
placa do deslizamento cruzado, conforme a (Figura 4.25).
Figura 4.25: Placa para suporte do motor Z, instalada no eixo Z.
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Na barra do eixo Z também foram fixados em sua ponta de baixo as ferramentas UTM
Cover e UTM Universal, já descritas anteriormente.
4.3 Hardware
A eletrônica embarcada utilizada neste projeto é semelhante aos encontrados em
máquinas de usinagem CNC e impressoras 3D, placas eletrônicas, motores, válvula solenoide
e sensor.
Com toda estrutura do robô já instalado, iniciou-se a montagem dos componentes
elétricos, eletrônicos e a alimentação de energia.
4.3.1 Placas Eletrônicas e Motor de Passo NEMA 17
O hardware é controlado por um microcontrolador Arduino Mega 2570, uma placa
Shield CNC e um computador Raspberry Pi 3, todos alimentados em corrente contínua de 5 e
12V.
O microcontrolador Arduino precisa de um software que interprete o código de controle
numérico (CNC), para enviar o sinal para os motores e outros equipamentos em operação,
realizado pela placa Shield CNC. Na (Figura 4.26) pode ser observado a fase de teste das placas
eletrônicas conectadas aos motores.
Figura 4.26: Fase de teste das placas eletrônicas conectadas aos motores.
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4.3.2 Bomba a Vácuo
A bomba a vácuo trabalha em conjunto com o bico semeador, ela permite que o bico
pegue a semente da bandeja e a semeie com precisão no local definido pelo programador.
Instalada no pórtico uma mangueira passa pelo eixo Z até ser acoplada no UTM Universal. A
bomba a vácuo pode ser observada instalada no pórtico pela (Figura 4.27).
Figura 4.27: Bomba a Vácuo instalada no Pórtico.
4.3.3 Válvula Solenoide
A válvula solenoide trabalha juntamente com o bico irrigador. Instalada abaixo da fonte
de alimentação ela controla a saída de água. Sendo ela normalmente fechada a água é liberada
apenas quando acionada por um tempo determinado na programação. (Figura 4.28).
Figura 4.28: Válvula Solenoide.
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4.3.4 Sensor de Umidade
O sensor de umidade está instalado no Bico Sensor de Umidade. Ele faz a leitura de
umidade do solo quando o bico já está introduzido no solo, mandando o resultado para o
microcontrolador e verifica se há necessidade de iniciar a sequência de irrigação. (Figura 4.29).
Figura 4.29: Sensor de Umidade instalada no bico.
4.3.5 Fonte de Alimentação
A fonte de alimentação de energia se tem por dois aparelhos. Uma fonte de celular que
fornece energia em corrente continua de 5V para o Raspbarry Pi 3, e uma fonte de computador
que fornece energia também em corrente contínua de 12V para a Placa Shield CNC que assim
alimenta os motores, bomba a vácuo e a válvula solenoide. Com a intenção de proteger a fonte,
ela foi instalada dentro de uma caixa de madeira acoplada a base de madeira, como pode ser
observado na (Figura 4.30). Ambas as fontes são alimentadas por corrente alternada de 127V.
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Figura 4.30: Fonte de Alimentação 12V.
35
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com a programação realizada de acordo com o dimensionamento atual do equipamento,
o robô foi submetido a testes para verificar seu devido funcionamento. Apesar de sua base ter
sido projetada para ficar em contato com o solo, o equipamento foi colocado em uma bancada
de madeira para melhor apresentação didática e possíveis consertos e melhorias. Conforme a
(Figura 4.31), pode-se visualizar a arquitetura do projeto depois de finalizado.
Figura 4.31: O Robô Inteligente.
O robô se move de forma suave em todas as direções, ou seja, no eixo X, Y e Z, com
extrema precisão em seu posicionamento. No entanto, o Raspberry não pode ser desligado
enquanto o equipamento estiver executando alguma tarefa, pois, ao religar ele terá perdido as
suas coordenadas, reiniciando como se estivesse na posição inicial de trabalho, definida como
Home, X = 0, Y = 0 e Z = 0, ou seja, a fonte de energia deve ser confiável, fornecendo para o
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Raspberry 5V em uma faixa de 2 a 3A, para não ocorrer nenhum problema na execução das
tarefas diárias.
Para realização do plantio, é feito anteriormente pela programação no software, todo o
dimensionamento e coordenadas das plantas no canteiro. Conforme a (Figura 4.32), podemos
observar que a realização deste dimensionamento pode ser feito de forma simétrica, dando ao
programador uma noção de quanto espaço cada planta necessita para o seu melhor
desenvolvimento, conseguindo assim, encaixar diversos tipos de planta em cada espaço
respectivamente, porém neste caso foi dimensionado de forma adensada, para real ização dos
testes e observação da atuação do equipamento.
Figura 4.32: Programação pelo software para o plantio de cenoura, alface e couve-flor.
Executando as sequências de plantio com o Bico Semeador, pode-se verificar que o bico
não segura apenas uma semente de cada vez, mas sim em torno de três sementes por vez, o que
não é ruim devida a taxa de germinação, porém, necessitando de desbaste, após a germinação,
para deixar apenas uma planta em cada local, sem que haja competição de energia solar e
nutricional entre elas.
Na Figura 4.33 podemos observar o Bico Semeador na posição A1 da Bandeja de
Semente, o qual está executando a tarefa de semear, indo buscar na bandeja a semente e semeá-
la no local estabelecido pelo programador. A bomba a vácuo é acionada neste exato momento
da figura 4.33, e só é desligada no memento que o Bico Semeador já introduziu a semente no
solo, normalmente a 5mm de profundidade. Portanto o solo deve estar bem nivelado para não
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ocorrer do bico introduzir a semente com muita profundidade ou muito próximo a superfície,
pois pode ocorrer dificuldades durante a germinação.
Figura 4.33: Bico Semeador pegando a semente da Bandeja de Sementes.
Para o Sensor de Umidade, decorrente a programação, o sensor é introduzido no solo
para fazer a leitura de umidade, que ao obter o resultado da leitura o equipamento toma a decisão
de iniciar a sequência de irrigação ou não. Para esta tarefa ser executada com perfeição o usuário
deve estar bem ciente de onde tem ou não planta no canteiro, pois o sensor ao descer para ser
introduzido no solo não pode penetrar no local de uma planta, caso contrário pode ocorrer danos
tanto no sensor, como na planta, e até mesmo no braço do eixo Z. Na figura 4.34, podemos
observar o sensor de umidade introduzido no solo realizando a leitura.
Figura 4.34: Bico Sensor de Umidade realizando a leitura no solo.
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O sensor de umidade ao fazer a leitura no solo, entende que o solo está a uma
porcentagem de umidade abaixo ou acima do estabelecido, decorrente a programação definida
pelo usuário. O sensor demostrou-se ser bem preciso quanto a suas leituras realizadas nos testes,
iniciando a irrigação quando o solo estava mais seco, ou finalizando a tarefa quando o solo bem
úmido, guardando o bico e indo para Home.
Ao executar a sequência de irrigação observou-se que apesar do Bico Irrigador ter sido
dimensionado para liberar a água de forma suave, a altura em que a água é liberada influência
de forma negativa na planta após a germinação, pelo impacto da água no solo e na planta,
contudo é necessário fazer com que a programação execute a irrigação em três etapas, que eles
diferenciam-se apenas na altura da irrigação.
A primeira etapa é para planta após a germinação, que a irrigação ocorrerá próximo ao
solo, causando o mínimo de impacto na planta e no solo. A segunda etapa é quando a planta já
atinge uma altura média de 15 centímetros, a qual a irrigação já pode ser a uma altura mais
elevada, pois a planta está mais desenvolvida. E a terceira etapa com a planta já adulta, que a
irrigação pode ocorrer com o eixo Z mais alto sem ocorrer danos a planta.
Na figura 4.35 observa-se a execução de irrigação.
Figura: 4.35: Execução da sequência de irrigação.
Contudo, conforme a programação no software, o robô executou todas as suas tarefas
com perfeição. Como pode ser observado na figura 4.36, com as plantas após a germinação.
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Figura 4.36: Plantas germinadas.
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6. CONCLUSÕES
As mudanças realizadas na programação para adequar o robô para desempenhar as
funções de semeadura, umidade do solo e irrigação mostrou-se adequado.
A semeadura das sementes de hortaliças foi realizada de acordo com a profundidade e
coordenadas conforme programação.
O robô pode ser utilizado em hortas e dimensionado em maiores extensões, pois o
presente trabalho é um protótipo.
O hardware se move com precisão e suavidade, de acordo com a programação no
software, demonstrando seu correto funcionamento.
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2010.
RUSSEL, S; NORVING, P. Inteligência Artificial. 2 ed. Ed. Campus, 2004.
43
8. APÊNDICE
Lista de Materiais:
40 - Parafusos M5-10mm
40 - Parafusos M5-30mm
90 - Porcas M5
28 - Parafusos de madeira 20mm
25 – Parafusos M3
4 – Madeiras de 1000 x 1000 x 300 mm
4 – Vigas de Madeira 300 x 50 x 50 mm
150 – Arruelas M5
25 – Arruelas M3
2 - Suporte de Canto
2 - Placa de Rodas
1 – Placa de Deslizamento Cruzado
1 – Suporte Motor Eixo Z
4 - Placas de Tecnil
6 - Fixador da Correia
3 - Trilhos de Extrusão V-Slot 20 x 40 x 1000 mm
2 - Trilhos de Extrusão V-Slot 20 x 60 x 1000mm
1 - Rosca sem fim Trapezoidal de Passo 2
4 - Motor de Passo NEMA 17
4 metros - Correia dentada GT2
3 - Polia da Correia Dentada GT2
1 - Acoplamento Flex 5mm x 8mm
1 – Bomba a Vácuo
1 - Raspberry Pi 3
1 – Arduino Mega 2570
1 – Placa Shield CNC
1 – Sensor de Umidade
25 – Rodas V-Slot
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50 – Rolamentos
1 – Fonte de Celular
1 – Fonte de Computador
1 – Válvula Solenoide
2 metros - Protetor de fios
4 metros – Mangueira
2 – Suporte para os Bicos
1 – Bico Semeador
1 – Bico Irrigador
1 – Bico Sensor de Umidade
1 – Bico Planta Daninha
1 – Bandeja de Sementes
4 – Capas para os Motores