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Montagem e programação de um robô empilhadeira com utilização dokit lego mindstorms
George Wilson Lima Nobre Filho (UESC) gnfilho89@gmail.comOrozimbo Peixoto Sol (UESC) orozimbosol@gmail.com
Filipe Matos Andrade (UESC) filipemlandrade@hotmail.com
Lhaira Barreto (UESC) lhairabarreto@gmail.com
Paulo Henrique Weber (UESC) pauloherinqueweber@hotmail.com
Felipe Malaquias (UESC) dougmalaquias@hotmail.com
Resumo
A necessidade de melhorar a qualidade dos produtos e otimizar o tempo dos processos
envolvidos na fabricação dos mesmos, acabam por intensificar as pesquisas relativas a
automação e robótica. Neste trabalho é apresentado um sistema robótico construído a partir do Kit Lego Mindstorms, que busca uma aplicação prática na área de Engenharia de
Produção, utilizando da robótica educacional para fazer a ligação entre teoria e prática,
facilitando o aprendizado do aluno.
Palavras - chave: Controle Automático de Processos, Robótica, Lego
1. Introdução
Atualmente, tem aumentado o interesse em pesquisas voltadas para automação de processos
por meio de sistemas robóticos a fim de promover a melhoria da qualidade dos produtos e
redução do tempo. Segundo Araújo et al. (2006), estes sistemas, em sua maioria, utilizam
técnicas de Inteligência Artificial que são empregadas na construção dos algoritmospropostos para solucionar os problemas. Por isso, sistemas autônomos de navegação robótica
que permitem a tomada de decisões a partir de informações extraídas do ambiente, que
proporcionam a cooperação de agentes ou que possuem visão computacional, têm sido
largamente explorados em pesquisas nas áreas de Automação, Robótica e Inteligência
Artificial e muitas aplicações têm sido propostas.
Apesar de toda tecnologia hoje aplicada nos projetos robóticos, os robôs ainda apresentam
uma série de limitações quanto à capacidade de navegação. A navegação autônoma de robôs
requer, entre outras coisas, aprender estratégias de navegação, adaptar-se a novas situações e
construir conhecimento a partir de informações obtidas do seu ambiente (Sun et al., 2002).
O estudo e desenvolvimento de um projeto de robôs autônomos podem estar ligados a
diversas aplicações práticas e têm suscitado grandes desafios dado que as dificuldades se
multiplicam à medida que os ambientes de navegação tornam-se mais imprevisíveis e
diversificados. Diversos mecanismos para o controle de robôs móveis têm sido utilizados tais
como sonares, lasers e visão (Quiles & Romero, 2004; Pomerleau, 1995).
A partir desse contexto, procurou-se utilizar a robótica pedagógica, que é uma prática
envolvendo hardware e software, onde a lógica é inerente na montagem e programação dos
robôs, envolvendo normalmente problemas do mundo real que estimulam o aprendizado de
conceitos intuitivos (Maia et al, 2008; Morelato e Borges, 2008), no ensino do controle
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automático de processos, com objetivo criar um sistema robótico utilizando o Kit Lego
Mindstorms, com aplicação direta na área de engenharia de produção.
1.1. Lego Mindstorms
O Lego Mindstorms é constituído por um conjunto de peças da linha tradicional (tijolos
cheios, placas, rodas) e da linha LEGO Technic (tijolos vazados, motores, eixos, engrenagens,
polias e correntes), acrescidos de sensores de toque, de intensidade luminosa e de temperatura
controlados por um processador programável, o módulo NXT, que permite
criar robôs simples, passíveis de executar funções básicas pré-programadas.
O projeto foi originalmente inspirado por Seymour Papert, um dos fundadores do MIT, autor,
na década de 1980, da obra " Mindstorms: Children, Computers and Powerful Ideas", onde
apresentava as suas idéias de como os computadores iriam auxiliar o desenvolvimento
intelectual de crianças e jovens.
2. Fundamentação teórica
Segundo a definição do SENAI (2002), o termo atual controle automático de processo foi
definido quando os procedimentos do controle automático foram aplicados para tornar mais
eficiente e seguro a manufatura de produtos. O controle automático de processo é em grande
parte responsável pelo progresso que vem acontecendo nas últimas décadas. O principal
objetivo do controle automático de processo é conseguir que uma variável dinâmica se
mantenha constante em um valor específico.
De acordo com Nise (2002), os sistemas de controle são partes integrantes da sociedade
moderna. Consiste em subsistemas e processos reunidos com o propósito de controlar as
saídas dos processos, na sua forma mais simples, um sistema de controle fornece uma saída
ou resposta para uma dada entrada ou estímulo, conforme mostrado na figura 1:
Figura 1: Descrição simplificada do sistema de controle
Com sistemas de controle, podem-se mover grandes equipamentos com precisão que,
de outra forma seria impossível.
Quatro razões básicas para a construção do sistema de controle:
1. Amplificação de potência;
2. Controle remoto;
3. Facilidade de uso da forma de entrada;
4. Compensação de perturbações
Em conjunto com o controle automático de processos, temos a robótica, definida por Teixeira
(2006) como o estudo e utilização dos robôs, ainda assim a nossa definição não estará
completa até clarificarmos o conceito de robô - as noções de robótica e robô estão
naturalmente interligadas.
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De acordo com o Robot Institute of America, um robô é um manipulador reprogramável
multifuncional, projetado para mover materiais, objectos, ferramentas ou aparelhos
específicos através de vários movimentos programados com vista à realização de
determinadas tarefas. (http://www.citi.pt/citi_2005_trabs/ia/robots.html) Atendendo a esta
definição, só estaremos perante um robô quando houver possibilidade de realizar tarefas,
normalmente associadas a movimentos (trabalho mecânico) e esses movimentos foremcontrolados pela própria máquina. A situação atualmente mais comum nos robôs industriais,
por exemplo, é o controlo através de um processador incorporado na máquina, previamente
programado.
3. Metodologia
Visa complementar os estudos na disciplina de Controle Automático de Processos, com uma
atividade prática, utilizando a robótica em associação ao sistema de controle. Tal atividade
consiste em um motivador em relação ao ensino tradicional (Gomes, Barone e Olivo, 2008).
De acordo com Hirst et al. (2002), pode encarar-se a robótica no ensino em duas grandes
vertentes: como um fim em si mesmo ou como uma forma de promover a motivação paraoutras aprendizagens.
De acordo com Teixeira (2006), a robótica é uma área multidisciplinar, que incorpora e requer
conhecimentos de áreas como Mecânica, Eletricidade, Termodinâmica, Eletrônica. A
Matemática surge também naturalmente na robótica em diversos níveis, nomeadamente ao
nível do controle.
Dada a forma como os conteúdos são aplicados na resolução dos problemas concretos, a
maturação desses conceitos ou até mesmo a sua aprendizagem, é mais eficiente, uma vez que
resulta de situações e problemas profundamente significativos para o aluno.
Teixeira (2006) ressalta que a informática é imprescindível em projetos de robótica: énecessária, pelo menos a programação do robô, embora a integração da informática na
robótica não se resuma exclusivamente à programação do robô. Muitos são os relatos em que
se usa a robótica, particularmente a programação de robô como contexto para o
desenvolvimento de capacidades de programação ou para a compreensão da arquitetura de
software.
4. Programação
A programação do Lego Mindstoms, é feito através de software da própria empresa (o NXT
SOFTWARE v1.1. ), que permite a combinação de diversos comandos a serem executados
pelo robô. Este software permite a programação do robô através de um conjunto de blocosque são encadeados. Seu diferencial possibilita o usuário interagir facilmente com o ambiente
de programação.Pois utiliza em seus modelos de programação animações integradas ao
ambiente, no qual o aluno seleciona as tarefas e recursos
Cada bloco (ou conjunto de blocos) corresponde a uma instrução. A imagem que se segue
refere-se à versão 1.1 e representa um trecho da programação final que fora desenvolvido.
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Figura 4: NXT SOFTWARE v1.1
Após a etapa da programação, as funções geradas no computador são transferidas para o
Intelligent NXT Brinck, que é o centro de comando, neste equipamento estará contido todos
os dados da programação que foram pré-estabelecidos.
5. Resultados
O principal resultado obtido foi o êxito na montagem e programação do robô, afim dedemonstrar o funcionamento de uma empilhadeira convencional, bastante utilizada no setor
logístico que hoje é uma das grandes áreas de atuação do Engenheiro de Produção. Para que
tal robô tenha um desempenho o mais próximo do esperado, o circuito a ser percorrido foi
pré-estabelecido e a programação foi feita utilizando o NXT SOFTWARE v1.1. Este possui a
capacidade de reconhecer onde começa e termina cada uma das células, utilizando-se do
sensor de luz que detectam as barreiras em sua frente e o sensor sonoro que ativa os motores,
com ruídos superiores a 60 Db (como por exemplo um bater de palmas), esses motores são
responsáveis pela movimentação e elevação dos garfos do robô. A Figura 2 apresenta o
esquema do robô, destacando o local onde são montados os sensores.
Figura 2: Esquema do robô, destacando posicionamento dos motores e sensores
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Na figura abaixo, temos a demonstração do robô em funcionamento, erguendo uma peça.
Figura 3: Demonstração do funcionamento do robô empilhadeira
Nas imagens abaixo, temos as vistas laterais:
Figura 5: Vistas Laterais
As próximas imagens trazem a vista frontal e traseira:
Figura 6: Vista frontal e traseira
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Por fim, a vista superior e inferior:
Figura 7: Vista superior e inferior
Em relação ao percurso, este foi montado de modo que o robô pudesse desenvolver de melhormaneira possível suas habilidades, facilitando a programação final através do software,
evitando ao máximo a ocorrência de falhas. Para se chegar a este percurso ideal, foram feitos
vários testes baseados em cálculos, estes serão demonstrados abaixo:
Cálculo da curva de 90°(π/2)
O pneu tem um diâmetro de 5,6cm, então a circunferência de uma rotação do pneu é igual o
diâmetro x π, logo:
5,6 x π = 17,58 cm (circunferência do pneu)
A distância entre os eixos é de 12, 2 cm, figura 8, então para que o robô gire 360°, tendo umpneu parado que outro completando a circunferência tem-se que:
2 x R x π = circunferência, então:
2 x 12,2 x π = 76,62 cm, como angulação necessária é de 90°, o pneu necessita percorrer
19,15 cm. Como a circunferência completa do pneu é 17,58cm, então temos que:
19,15/17,58=1,09 rotações
Figura 8: Distância entre os eixos
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Este percurso inicia-se com o movimento do robô empilhadeira, após o bater de palmas que
ao ser captado pelo sensor sônico envia o sinal para o processador (Intelligent NXT Brinck) e
este inicia o comando para execução do processo. A empilhadeira irá se deslocar até a peça a
ser transportada. A distância será pré-estabelecida por programação e ao se chegar ao produto,
com um novo bater de palmas, a empilhadeira irá elevá-lo e transportará até o destino final.
Para sintetizar este processo, foi montado um fluxograma a partir da programação fora feito:
Figura 9: Fluxograma de Programação
Importante citar que a montagem fez bastantes adaptações, o que acabou por estimular o
raciocínio dos alunos. Uma dessas adaptações é fundamental para funcionamento do robô
empilhadeira, que é o barbante utilizado para movimentar o garfo.
6. Conclusão
O interesse em robótica vem aumentando a cada ano, mostrando o crescimento no setor e
investimento pela busca de novas tecnologias. Dentre deste contexto surge à robótica
pedagógica que procura associar os conhecimentos teóricos aprendidos em sala de aula com a
aplicação prática para construção de uma empilhadeira, equipamento hoje essencial para o
setor logístico e fundamental para Engenharia de Produção. Tal projeto alcançou seu objetivo
com a montagem e programação do robô empilhadeira e abriu espaço para projetos futuros.
Referências
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implementação utilizando o Kit Lego Minds torms. In: CONGRESSO SUL CATARINENSE
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Dissertação de Mestrado em Ensino da Física. Faculdade de Ciências e Tecnologia. Coimbra,
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Disponível em http://www.citi.pt/citi_2005_trabs/ia/robots.html, Acessado dia 01 de
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