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ESTUDO PARA FABRICAÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE ROBÔ MÓVEL COM

RODAS PARA ASPIRAÇÃO DE PÓ DOMÉSTICA

Frederico Castro Braga

Rio de Janeiro

Agosto de 2014

Projeto de Graduação apresentado ao Curso

de Engenharia Mecânica da Escola

Politécnica, Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientador:

Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ




PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc. (Orientador)

________________________________________________

Prof. Fábio Luiz Zamberlan, D.Sc.

________________________________________________

Prof. Vitor Ferreira Romano, Dott. Ric.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

AGOSTO DE 2014

Braga, Frederico Castro

Estudo para Fabricação de um Protótipo de Robô

Móvel com Rodas para Aspiração de Pó Doméstica/

Frederico Castro Braga. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola

Politécnica, 2014.

XI, 102 p.: il.; 29,7 cm

Orientador: Armando Carlos de Pina Filho

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia Mecânica, 2014.

Referências Bibliográficas: p. 100-101.

1.Sistema de Locomoção. 2. Sistema de Aspiração.

3. Sistema de Controle. 4. Sensores e Atuadores. 5.

Construção de Protótipo. I. Pina Filho, Armando Carlos de.

II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola

Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Título.

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a Deus por permitir que eu chegasse a mais esta conquista,

por me dar sabedoria para atingir meus objetivos, e me dar forças para traçar este

caminho.

À minha família pelo amor, companheirismo, torcida que sempre tiveram por

mim e pelas orações. À minha mãe, Mônica, por sempre estar comigo, pelo amor, pela

dedicação diária e pela inspiração que sempre foi para a minha vida. Ao meu pai, José

Ronaldo, pelo exemplo de homem, pela educação, amor, por ser a referência para a

minha formação pessoal. À minha irmã, Fernanda, pela amizade, carinho, pelo

companheirismo e por aturar meus estresses. Aos meus avós, Ilma e Aroldo, pelo amor

incondicional e por nunca medirem esforços para me verem bem.

Agradeço a minha namorada, Nathália, por ser minha amiga, companheira, pelo

amor, dedicação, ajuda, conselhos e por me fazer uma pessoa melhor a cada dia.

Aos meus amigos, pelos momentos de felicidade e tristezas compartilhados, pelo

apoio e companheirismo, sem os quais nada disso seria possível.

Por fim, gostaria de agradecer a todos os funcionários e professores do

departamento de Engenharia Mecânica pelo cuidado, ensinamentos e dedicação ao

longo destes anos de convivência. Em especial ao professor Armando, pelos

ensinamentos nas disciplinas cursadas, pela orientação e paciência que sem os quais este

trabalho não poderia ser entregue.

ii

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.




Agosto/2014

Orientador: Armando Carlos de Pina Filho

Curso: Engenharia Mecânica

A automação urbana tem se intensificado a cada dia, trazendo para o ambiente

doméstico uma série de máquinas, objetivando o auxílio nas diversas tarefas diárias.

Dentre as máquinas utilizadas temos os robôs, em sua maioria móveis, para serviços

como: limpeza de chão, de janelas, de piscina, cortadores de grama, etc. Este trabalho

apresenta um estudo para a fabricação de um robô móvel com rodas para a aspiração de

pó doméstica. Como parte deste estudo serão expostos os processos de seleção dos

sistemas de locomoção, aspiração, controle e instrumentação do robô. Ao fim deste

trabalho será apresentado um plano para a fabricação de um protótipo que será o ponto

de partida para realização de novas análises, procurando-se especificar um modelo de

robô capaz de ser utilizado em conjunto com outros sistemas, para realização de uma ou

mais tarefas domésticas. Todo trabalho aqui apresentado faz parte de um projeto maior,

que visa o desenvolvimento de novas tecnologias nacionais em automação urbana.

iii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as o partial fulfillment of

the requirements for the degree of Mechanical Engineer.

STUDY FOR FABRICATION OF A MOBILE ROBOT PROTOTYPE WITH

WHEELS FOR DOMESTIC VACUUM CLEANING


August/2014

Advisor: Armando Carlos de Pina Filho

Course: Mechanical Engineering

Urban automation has intensified to each day, bringing for the domestic

environment a series of machines, objectifying the aid in the diverse daily tasks.

Amongst these machines we have the robots, in its majority mobile, for services as:

cleanness of soil, windows, swimming pool, lawn mower, etc. This work presents a

study for fabrication of a mobile robot prototype with wheels for domestic vacuum

cleaning. As part of this study, the selection processes of the locomotion, vacuum

cleaning, controls e instrumentation systems will be presented. At the end of this work,

a manufacturing plan for a prototype will be discussed. This prototype will be the

starting point for accomplishment of new analyses, seeking to specify a robot model

capable to be used in set with other systems, for domestic accomplishment of one or

more tasks. All work presented here is part of a greater project, that aims at the

development of new national technologies in urban automation.

iv

ÍNDICE

Lista de Figuras viii

Lista de Tabelas xi

Capítulo1 – Introdução 1

1.1 – Introdução Geral 1

1.2 – Automação Residencial 2

1.2.1 - Histórico da Automação Residencial 3

1.3 – Motivação e Objetivos 5

1.4 – Estrutura e Escopo do Trabalho 7

Capítulo 2 – Mecanismo de Locomoção 8

2.1 – Introdução 8

2.1.1 – Desafios da Locomoção 9

2.2 – Robôs Móveis com Rodas 10

2.2.1 – Design das Rodas 10

2.2.1.1 – Geometria das Rodas 11

2.2.1.2 – Estabilidade 12

2.2.1.3 – Manobrabilidade 14

2.2.1.4 – Controlabilidade 15

2.2.2 – Escolha da Disposição das Rodas 15

2.3 – Cinemática 17

2.3.1 – Modelos Cinemáticos e Restrições 18

2.3.1.1 - Representação de Posicionamento 18

2.3.1.2 – Restrições Cinemáticas nas Rodas 24

2.3.1.3 – Restrições Cinemáticas do Robô 27

2.4 – Caminho ou Trajetória 30

2.5 – Considerações Finais 32

2.5.1 – Sensores e Atuadores 32

Capítulo 3 – Sistema de Aspiração 34


3.2 – Separadores Ciclônicos 36

3.3 – Fluidodinâmica Computacional (CFD) 38

v

3.3.1 – Turbulência 40

3.3.2 – Malhas 41

3.3.3 – Método de Diferenças Finitas (MDF) 42

3.3.4 – Método de Elementos Finitos (MEF) 42

3.3.5 – Método dos Volumes Finitos (MVF) 43

3.4 – Simulação do Ciclone 44

3.4.1 – Parâmetros Geométricos 44

3.4.2 – Software de Simulação 46

3.4.3 – Geração da Malha 47

3.4.4 – Parâmetros da Simulação 48

3.4.5 – Resultados 49


Capítulo 4 – Sistema de Controle 52


4.2 – Arduino 53

4.2.1 – Hardware 53

4.2.2 – Software 56


Capítulo 5 – Definição de Sensores e Atuadores 59


5.2 – Sensores de Presença 59

5.2.1 – Chaves de Fim-de-Curso 59

5.2.2 – Sensores Capacitivos 60

5.2.3 – Sensores Indutivos 61

5.2.4 – Sensores Ultrassônicos 62

5.2.5 – Sensores Óticos 63

5.3 – Fatores que Influenciam a Escolha dos Sensores 64

5.3.1 – Tipo de Material a ser Detectado 64

5.3.2 – Distância Sensora 64

5.3.3 – Histerese 64

5.3.4 – Fatores Ambientais e Condições de Instalação 64

5.3.5 – Objetivo de Detecção 65

5.4 – Atuadores 65

vi

5.4.1 - Motores de Passo 66

5.4.1.1 – Definição 66

5.4.2 – Motor Elétrico Aspirador de Pó 67

5.4.2.1 – Definição 68


Capítulo 6 – Protótipo 71


6.2 – Sistema de Locomoção 71

6.2.1 – Dimensões e Materiais 72

6.2.2 – Montagem do Atuador 73

6.2.3 – Fixação no Chassi 75

6.3 – Sistema de Aspiração 76


6.3.2 – Montagem dos Dutos 79


6.4 – Sistema de Controle 81


6.4.2 – Montagem e Cabeamento 84

6.4.2.1 – Ligação à Protoboard 84

6.4.2.2 – Ligação Elétrica dos Motores de Passo 85

6.4.2.3 – Ligação Elétrica do Motor do Aspirador 86

6.4.2.4 – Ligação aos Sensores 87


6.5 – Montagem Final 90

6.5.1 – Considerações Sobre as Solicitações Mecânicas 91

6.5.2 – Vistas Montadas e Explodida 92


Capítulo 7 – Conclusão 96

7.1 – Conclusões Gerais 96

7.2 – Trabalhos Futuros 98

Referências 100

Anexo A – Documentação Gráfica 102

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Robótica e Domótica 4

Figura 2.1 – Principais tipos de rodas; a) roda padrão, b) roda castor, c) roda sueca,

d) roda esférica 10

Figura 2.2 – Tipos de arranjos de rodas possíveis para robôs móveis. 12

Figura 2.3 – Robô comercial CYE 13

Figura 2.4 – Robô comercial Uranus 14

Figura 2.5 – Robô M-288, fabricante Master Home 16

Figura 2.6 – Referenciais global e local 19

Figura 2.7 – Rotação do referencial local 20

Figura 2.8 – Movimentação do chassi 21

Figura 2.9 – Roda padrão fixa 25

Figura 2.10 – Roda castor 25

Figura 2.11 – Tipos de movimentação: (a) aleatória, (b) ziguezague 31

Figura 2.12 – Percepção de obstáculos 33

Figura 3.1 – Interior do aspirador de pó 34

Figura 3.2 – Funcionamento e dimensões do separador 36

Figura 3.3 – Curva típica de separação 37

Figura 3.4 – Procedimento de resolução CFD 39

Figura 3.5 – a) malha não-estruturada, b) malha estruturada uniforme, c) malha

estruturada não-uniforme. 42

Figura 3.6 – Principais dimensões do separador ciclônico 44

Figura 3.7 – Modelagem 3D do ciclone em Solidworks 46

Figura 3.8 – Malha gerada para a geometria do ciclone. 47

Figura 3.9 – Detalhes da malha gerada para a geometria 48

Figura 3.10 – Linhas de corrente para o escoamento interno ao ciclone 49

Figura 3.11 – Perfil de velocidades no interior do ciclone 50

Figura 4.1 – Arquitetura do Arduino 53

Figura 4.2 – Blocos do Arduino 54

Figura 4.3 – Interface do software do Arduino 57

Figura 5.1 – Chaves de Fim-de-curso 60

Figura 5.2 – Sensor capacitivo 60

viii

Figura 5.3 – Sensores indutivos blindados e não-blindados 61

Figura 5.4 – Emissão e retorno de disco piezoelétrico 62

Figura 5.5 – Sensor ultrassônico HC-SR04 62

Figura 5.6 – Sensor ótico TCRT5000 63

Figura 5.7 – Tipos de motores de passo 66

Figura 5.8 – Motor de passo Kalatec 67

Figura 5.10 – Motor elétrico Electrolux 68

Figura 6.1 – Roda padrão: (a) aro, (b) pneu 72

Figura 6.2 – Modelagem da roda castor 73

Figura 6.3 – Dimensões do motor de passo 74

Figura 6.4 – Montagem do motor de passo a roda padrão 74

Figura 6.5 – Detalhe do ajuste por interferência do eixo do motor ao furo do aro 75

Figura 6.6 – Fixação do motor de passo no chassi do robô 75

Figura 6.7 – Fixação da roda castor no chassi do robô. 76

Figura 6.8 – Dimensões obtidas para o ciclone 77

Figura 6.9 – Dutos de ar: (a) seção retangular - sucção, (b) seção circular -

bomba 77

Figura 6.10 – Bocal de sucção 78

Figura 6.11 – Coletor de Poeira 78

Figura 6.12 – Modelagem da Bomba Electrolux 79

Figura 6.13 – Abraçadeiras plásticas. 79

Figura 6.14 – Acoplamento Bocal-Chassi 80

Figura 6.15 – Fixação do ciclone ao chassi 81

Figura 6.16 – Protoboard 82

Figura 6.17 – Cabos elétricos 83

Figura 6.18 – Exemplo de ligação da protoboard ao Arduino 84

Figura 6.19 – Ligação de bateira de íons de lítio ao Arduino 85

Figura 6.20 – CI L293D como ponte H 86

Figura 6.21 – Esquema de ligação do motor ao circuito 87

Figura 6.22 – Montagem do sensor ultrassônico ao Arduino 88

Figura 6.23 – Ligação de mais de um sensor ultrassônico 88

Figura 6.24 – Fixação Arduino 89

Figura 6.25 – Fixação do Ultrassom 90

ix

Figura 6.26 – Montagem final do robô. 90

Figura 6.27 – Fixação simultânea dos componentes. 91

Figura 6.28 – Vista isométrica da Montagem 93

Figura 6.29 – Vista frontal da Montagem 93

Figura 6.30 – Vista inferior da Montagem 93

Figura 6.31 – Vista explodida do Protótipo 94

x

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Arranjo de rodas selecionado 16

Tabela 3.1 – Parâmetros geométricos de ciclones por vários autores 44

Tabela 3.2 – Dimensões escolhidas para o projeto 45

Tabela 3.3 – Parâmetros de simulação 49

Tabela 6.1 – Escolha de arranjos de rodas 71

Tabela 6.2 – Cálculo do peso total 92

Tabela 6.3 – Descrição dos componentes do robô 94

Tabela 7.1 – Evolução da Domótica 96

xi

1

Capítulo1 – Introdução

1.1 – Introdução Geral

Em países com forte desenvolvimento em tecnologia, a robótica está presente em

diversos setores desde educação, saúde, passando pela segurança, entretenimento e

residencial, sendo este último o foco do projeto. Após a crise de 2008, a indústria

automobilística sofreu um grande impacto. Como grande parte dos esforços na área de

robótica era destinada a esse setor, pesquisadores e empresas começaram a focar em

diversas outras áreas, vendo na dificuldade uma oportunidade, e a robótica residencial

se revelou uma das áreas mais promissoras desse novo nicho de mercado criado pela

crise. Em um estudo divulgado pelo World Robotics 2009, foi estimado que entre 2009

e 2012, a quantidade de robôs domésticos poderia chegar a 4,8 milhões de unidades,

com valor estimado em US$ 3,5 bilhões.

As projeções otimistas para esse setor atraíram empresas a investir em pesquisa

para desenvolvimento de robôs domésticos cada vez mais eficientes, com uma

inteligência artificial cada vez mais complexa e resultados mais próximos ou melhores

quando comparados com pessoas, a fim de proporcionar ao consumidor o ideal de

conforto, satisfação e economia de tempo em tarefas domésticas.

O século XXI chegou trazendo grandes avanços no campo da robótica, tornando o

tema ainda mais presente em pesquisas ao redor do mundo, possibilitando cada vez

mais a utilização de robôs industriais que soldam, pintam e movimentam grandes peças;

robôs atuando em laboratórios farmacêuticos e ambientes hospitalares; outros que

procuram e desativam minas, procuram por sobreviventes em zonas de desastres

naturais, realizam tarefas agrícolas. Outro campo importante é o de robôs empregados

em acidentes nucleares, naufrágios ou exploração em outros planetas.

A robótica sempre ofereceu ao setor industrial um excelente compromisso entre

produtividade e flexibilidade, uma qualidade uniforme dos produtos, uma

sistematização dos processos e a possibilidade de supervisionar e/ou controlar as

plantas, segundo diferentes parâmetros e critérios. É possível destacar quatro vantagens

principais dos sistemas robotizados: aumento da produtividade, alta flexibilidade,

excelente qualidade e melhoria da segurança. Como resultado, a robotização permite

2

melhorar a qualidade e as condições de trabalho, substituindo tarefas penosas por outras

que se realizam em condições muito mais vantajosas. Este vem sendo o estopim para o

crescimento de um dos campos mais promissores, a robótica doméstica.

O campo da robótica doméstica está muito ligado à robótica móvel, sendo um

campo jovem se comparado à robótica de manipulação industrial. Este campo inclui

muitas disciplinas da Engenharia e da Ciência, desde a Mecânica, Elétrica e Eletrônica

até as Ciências Sociais. Cada uma dessas áreas tem a sua parcela de contribuição no

avanço que se observa no mercado da robótica móvel, sendo parte do estudo a ser

apresentado neste trabalho.

1.2 – Automação Residencial

Automação residencial é o conjunto de serviços proporcionados por sistemas

tecnológicos integrados como o melhor meio de satisfazer as necessidades básicas de

segurança, comunicação, gestão energética e conforto de uma habitação.

Nesse contexto, surge o termo “domótica”, para diferenciar a automação industrial

da residencial, largamente empregado na Europa, pois é mais abrangente. No entanto,

no Brasil, é mais comum a tradução literal de home automation, denominação

americana mais restrita, uma vez que, conceitualmente, o termo “automação” não

englobaria, por exemplo, sistemas de comunicação ou sonorização.

Domótica se refere à automatização e controle aplicados à residência. Esta

automatização e controle se realizam mediante o uso de equipamentos que dispõem de

capacidade para se comunicar interativamente entre eles, e com capacidade de seguir as

instruções de um programa previamente estabelecido pelo usuário da residência, com

possibilidades de alterações conforme seus interesses. Em consequência, a domótica

permite maior qualidade de vida, reduz o trabalho doméstico, aumenta o bem-estar e a

segurança, racionaliza o consumo de energia e, além disso, sua evolução permite

oferecer continuamente novas aplicações (Associação Espanhola de Domótica,

http://www.cedom.es).

O principal fator que define uma instalação residencial automatizada é a

integração entre os sistemas aliada à capacidade de executar funções e comandos

mediante instruções programáveis. Essa integração abrange todos os sistemas

tecnológicos da residência (BORTOLUZZI, 2013):

3

Instalação elétrica, que compreende: iluminação, persianas e cortinas, gestão de

energia e outros;

Sistema de segurança: alarmes de intrusão, alarmes técnicos (fumaça,

vazamento de gás, inundação), circuito fechado de TV, monitoramento, controle de

acesso;

Sistemas multimídia: áudio e vídeo, som ambiente, jogos eletrônicos, além de

vídeos, imagens e sons sob demanda;

Sistemas de comunicações: telefonia e interfonia, redes domésticas, TV por

assinatura;

Utilidades: irrigação, aspiração, climatização, aquecimento de água, bombas e

outros.

1.2.1 – Histórico da Automação Residencial

Uma análise histórica sobre a evolução tecnológica vivenciada nos últimos

séculos deve considerar como marco inicial o surgimento da máquina a vapor com a

Revolução Industrial em 1750, na Inglaterra. Nessa época ocorre a transição do modo

de produção feudal para o modelo atual de produção capitalista. Outros importantes

eventos históricos devem ser considerados como a descoberta da Eletricidade e a

consequente massificação de sua utilização na Segunda Revolução Industrial (final do

século XIX). Desse momento em diante são decorrentes as seguintes importantes

descobertas (MURATORI e DAL BÓ, 2006):

1876: Alexander Graham Bell realiza a comunicação entre dois cômodos

utilizando o telefone;

1879: Thomas Alva Edison inventa a lâmpada com filamento de carbono

incandescente;

1888: Heinrich Hertz foi pioneiro na transmissão de códigos pelo ar por

meio de ondas de rádio;

1904: John Ambrose Fleming inventa a válvula, permitindo o desenvolvimento

da eletrônica no século XX e o aparecimento de muitos aparelhos revolucionários, como

o Rádio e a Televisão;

1946: John Mauchly e John Eckart Jr constroem o primeiro computador

chamado ENIAC;

4

1947: William Bradford Shockley, John Bardeen e Walter Houser Brattain

criam o transistor. Essa descoberta irá determinar o fim da era das válvulas (cerca de 50

anos depois), já que os transistores são dispositivos semicondutores geralmente mais

baratos, eficientes e confiáveis;

1956: a empresa Ericsson desenvolve o primeiro celular pesando 40 quilos para

ser instalado no porta-malas de carros;

1977: é lançado pela Apple o computador Apple II que é o primeiro

microcomputador tal como conhecemos hoje, possuindo teclado integrado e com

capacidade de gerar gráficos coloridos;

1989: início da popularização da internet e do celular.

A automação residencial é originária da automação industrial que teve nos

dispositivos CLPs (Controladores Lógicos Programáveis), datados da década de 60,

uma grande revolução, graças aos avanços da microeletrônica. Muitas empresas de

tecnologia migraram seu foco da automação industrial para residencial sem que, no

entanto, percebessem as peculiaridades que cada um desses mercados

demandava. Enquanto que na automação industrial é fundamental que os equipamentos

operem com imunidade total a falhas, com respostas rápidas aos comandos e elevada

precisão, na automação residencial essas condições podem ser “afrouxadas”. Por outro

lado, a automação residencial exige equipamentos com um grau de acabamento

superior, bem como interfaces muito mais amigáveis e intuitivas.

A Figura 1.1 ilustra a equivalência entre automação residencial e industrial, entre

robótica e domótica. Nesse sentido, pode-se dizer que a domótica é a junção da palavra

latina domus (casa), com robótica.

Figura 1.1 – Robótica e Domótica. Fonte: SRA Engenharia LTDA, http://sra.eng.br

A década de 70 pode ser considerada o marco inicial da automação residencial,

quando são lançados nos EUA os primeiros módulos inteligentes chamados X-10. O

5

protocolo X-10 utilizava a rede elétrica como canal de comunicação entre os diversos

dispositivos de automação. Trata-se da tecnologia PLC (Power Line Carrier). Isso

permite o controle de dispositivos remotos sem necessitar de alteração da infraestrutura

elétrica da residência.

Mais adiante, na década de 80, com a popularização dos computadores pessoais

(PCs), em detrimento aos mainframes, pôde-se pensar em um PC como central de

automação. Entretanto, a grande desvantagem desse sistema é o elevado consumo,

devido à necessidade de manter o PC sempre ligado. Outra desvantagem está na

centralização do controle que pode vir a ser falho e comprometer o funcionamento de

todo o sistema automatizado. A partir desses problemas parte-se para o

desenvolvimento de dispositivos dedicados (embarcados) através da utilização de

microprocessadores e microcontroladores, e da exclusão dos PCs.

Paralelamente, inúmeras outras tecnologias foram sendo incorporadas à

automação residencial, como os controles remotos programáveis usando infravermelho

ou radiofrequência. Os controles remotos universais, com infravermelho, são capazes de

interpretar diferentes protocolos utilizados por diferentes fabricantes. A tecnologia de

radiofrequência (RF) difere da infravermelha por não necessitar de visada direta entre o

controle remoto e o dispositivo controlado.

A internet banda larga concedeu ao usuário a possibilidade de controle e

monitoramento da residência de qualquer lugar que disponha do serviço. Acrescenta-se

a este fato a convergência tecnológica intensificada a partir do século XXI, na qual um

mesmo dispositivo (celular, smarphone, tablet, etc.) pode incorporar diferentes serviços

(telefonia, internet, monitoramento, controle da residência e assim por diante). Nesses

casos, um software aplicativo realiza o controle dos sistemas automatizados.

Todavia, apesar desse cenário tecnológico extremamente fértil e da rápida

absorção das novas tecnologias pelo mercado brasileiro, essa tendência não se transferiu

para o mercado de construção civil. A tecnologia automobilística possui mais eletrônica

embarcada do que nossas residências, mesmo considerando que estas tenham preços

muito mais elevados.

1.3 – Motivação e Objetivo

Nas economias mais desenvolvidas, o cenário para as chamadas “casas

inteligentes” tem evoluído de maneira muito positiva nos últimos anos. Tem contribuído

6

para isso a crescente popularização de diversas tecnologias, seja pelo aspecto educativo

do consumidor, seja pelos preços decrescentes (BORTOLUZZI, 2013).

Soma-se a isso a oferta abundante e barata de serviços de comunicação, como

acesso em banda larga, diversas modalidades de conteúdo digital, downloads de

músicas e filmes, etc. Além disso, existe um ambiente muito propício para o

desenvolvimento dos chamados “sistemas domóticos”.

A partir de recentes pesquisas feitas nos Estados Unidos, é possível extrair alguns

dados importantes (BORTOLUZZI, 2013):

84% dos construtores entendem que incorporar tecnologia às residências que

constroem é um importante diferencial mercadológico;

Existe a constatação de que os consumidores na faixa etária que estão entrando

no mercado, adquirindo seu primeiro imóvel, já convivem com naturalidade com a

tecnologia e, portanto, estão sendo exigentes com relação ao seu uso nas residências que

lhes são oferecidas;

Sistemas automatizados que contenham apelo pela sustentabilidade, economia

de energia e preservação de recursos naturais estão sendo cada vez mais requisitados;

Entre as tecnologias emergentes que devem alcançar elevados patamares de

crescimento nos próximos anos, estão os media centers, o monitoramento à distância, o

controle de iluminação e o home care.

No Brasil também se observa uma rápida absorção das novas tecnologias pelos

usuários na sua vida diária. Dessa forma, a automação residencial pode ser um fator

decisivo para atingir consumidores com necessidades específicas, das quais se destacam

a segurança, o entretenimento, a acessibilidade, o trabalho em casa, o conforto, a

conveniência e a economia de energia. Portanto, pode-se esperar uma rápida evolução

dos lançamentos imobiliários com forte apelo nos diferenciais tecnológicos,

aproximando o mercado doméstico nacional aos padrões internacionais.

Este cenário que se monta no Brasil motivou a produção deste trabalho e seu

objetivo de desenvolver tecnologia nacional competitiva com o mercado internacional,

mais especificamente tecnologia aplicada no projeto de um robô para tarefas

domésticas, no caso a limpeza pela aspiração de pó.

7

1.4 - Estrutura e Escopo do trabalho

Ao longo do trabalho serão apresentadas as etapas desenvolvidas na concepção de

um robô móvel capaz de realizar a atividade de aspiração de pó doméstica, com

eficiência igual ou superior a disponível no mercado e com tecnologia inteiramente

nacional.

A princípio serão estudados conceitos relativos à locomoção do robô, como a

análise dos meios existentes de locomoção, observando sua semelhança com os

mecanismos observados na natureza. Será também apresentada uma análise dos arranjos

de rodas possíveis, assim como as características dos principais tipos de rodas. Então

será feita uma análise cinemática da movimentação do robô no ambiente de trabalho,

assim como as restrições impostas pelas rodas ao movimento do chassi do robô.

Em seguida, será evidenciada uma análise dos mecanismos de aspiração utilizados

no mercado de eletrodomésticos, juntamente com as razões para a escolha do aspirador

ciclônico como meio de aspiração. Esta escolha será consolidada com a simulação do

escoamento do ar no ciclone para garantir que ocorra a separação desejada das

partículas de sujeira do ar. Para esta simulação foi utilizado o software ANSYS 2014.

Como continuação à metodologia de projeto, será apresentada a idealização dos

sistemas de controle e integração de sistemas do robô. Juntamente com esta

apresentação, será mostrado o sistema de controle utilizando a plataforma Arduino.

Após a análise do controle será apresentada uma pesquisa sobre os tipos de

sensores de presença e atuadores disponíveis no mercado, com o princípio de

funcionamento e o campo de aplicação de cada um dos principais tipos de sensores

existentes e a escolha de atuadores para os sistemas de locomoção e aspiração.

Por fim, serão apresentadas algumas considerações a serem feitas em relação à

montagem dos componentes em um protótipo real. Neste momento, serão feitas

considerações relativas à fabricação, posicionamento e fixação dos componentes do

robô móvel. Como suporte a está análise serão anexados ao projeto os desenhos

técnicos de componentes e do conjunto mecânico da montagem de um protótipo do robô

aspirador de pó.

8

Capítulo 2 – Mecanismo de Locomoção

2.1 – Introdução

Um robô móvel necessita de mecanismos de locomoção que permitam que ele se

mova objetivamente em seu ambiente de atuação. Porém existe uma grande variedade

de possíveis maneiras de locomoção, de forma que a seleção da forma de locomoção é

um aspecto de extrema importância quando se está projetando um robô móvel.

Atualmente existem pesquisas para robôs que podem andar, pular, correr, rastejar,

nadar, voar. A maioria destes mecanismos de locomoção é inspirada em seus

equivalentes encontrados na natureza.

Existe, porém, uma exceção: a utilização de rodas tracionadas, uma invenção

humana que atinge eficiências bastante altas quando trabalhando em superfícies planas.

Este mecanismo rolante não é completamente estranho à natureza. O caminhar dos seres

bípedes, por exemplo, pode ser aproximado por um polígono rolante de lados iguais e

de comprimento igual à distância de um passo. À medida que o tamanho do passo

diminui, este polígono aproximado se torna mais similar a um círculo. Porém na

natureza não se encontra uma locomoção baseada no rolar de algo próximo a uma roda

traciona.

Os sistemas biológicos (sistemas encontrados na natureza) têm sucesso na

movimentação em vasta variedade de ambientes e superfícies, por isso, em alguns

casos, pode ser desejável a utilização de sistemas mecânicos análogos para a locomoção

de robôs. Nestes casos, o grande desafio é a complexidade existente em se copiar

sistemas biológicos, seja por questões mecânicas ou até mesmo por questões relativas à

divisão celular, que permitem que encontremos seres com centenas de pernas de

tamanhos variados, que tornariam sua fabricação extremamente cara e complexa.

Devido a estas limitações, os robôs móveis geralmente se locomovem utilizando

mecanismos com rodas, vastamente conhecido por nossa tecnologia, ou utilizando um

número pequeno de pernas articuladas.

Em geral, a locomoção por pernas exige altos graus de liberdade e, como

consequência, maior complexidade mecânica que a locomoção por rodas. As rodas,

além de serem mais simples, são extremamente compatíveis com a locomoção em

9

ambientes planos, chegando a ser duas vezes mais eficiente que a locomoção com

pernas para estes ambientes.

Para efeitos práticos, a eficiência da movimentação por rodas depende diretamente

de características do ambiente de trabalho, particularmente, do quão plana e dura é a

superfície de trabalho, enquanto a eficiência da movimentação por pernas depende de

fatores relativos às próprias pernas, como massa, articulações, apoios, entre outros.

É compreensível, porém, porque na natureza se encontra mais a movimentação

por pernas. Isso se deve ao fato de que os seres vivos têm a necessidade de se

locomover em terrenos variados, de relevos irregulares e durezas variáveis.

2.1.1 – Desafios da Locomoção

A locomoção é o complemento da manipulação de um robô. Na manipulação, o

braço do robô é fixo e move os objetos do ambiente através da aplicação de forças aos

mesmos. Já na locomoção o ambiente é fixo e o robô se move aplicando forças no

ambiente de trabalho. Em ambos os casos, a base científica é o estudo de atuadores que

geram forças de interação, e mecanismos que implementam as propriedades dinâmicas e

cinemáticas desejadas para o movimento. Locomoção e manipulação compartilham das

mesmas complexidades: estabilidade, características de contato e tipo de ambiente

(SIEGWART e NOURBAKHSH, 2004).

Em relação à estabilidade, deve-se observar o número e geometria dos pontos de

contato, centro de gravidade, estabilidade estática/dinâmica, e inclinação do terreno.

Quanto às características de contato, tem-se o ponto de contato, tamanho e forma

do caminho, ângulo de contato, e atrito.

E sobre o tipo de ambiente, verifica-se a estrutura e o meio (água, ar, terra, piso

duro/macio).

Tendo em mente esses desafios, pode-se, então, partir para uma análise mais

detalhada da escolha do meio de locomoção do robô e em seguida a avaliação dos

conceitos físicos e mecânicos inerentes a esta seleção.

10

2.2 – Robôs Móveis com Rodas

A roda é, de longe, o meio de locomoção mais utilizado nos robôs móveis e

também nos meios de locomoção produzidos atualmente. Ela pode atingir boas

eficiências com relativa simplicidade em sua implementação mecânica.

Além disto, o equilíbrio, em geral, não é um problema para os robôs móveis com

rodas, uma vez que são projetados para trabalharem com suas rodas sempre em contato

com o solo. Outro fator positivo é o fato de que apenas três rodas já são suficientes para

garantir um equilíbrio estável para uma estrutura robótica. Atualmente pode-se observar

até casos onde apenas duas rodas são utilizadas sem que ocorra uma perda estabilidade.

Quando mais de três rodas são utilizadas, torna-se necessário a implementação de um

sistema de suspensão, para garantir que as rodas permaneçam em contato com o solo

mesmo em terrenos irregulares.

Ao invés de se preocupar com o equilíbrio, as pesquisas no campo da locomoção

com rodas têm seu foco voltado para os problemas envolvidos na tração, estabilidade,

manobrabilidade e controle da movimentação.

2.2.1 – Design das Rodas

Existem basicamente quatro grandes classes de rodas, Figura 2.1, que se diferem

bastante em sua cinemática, de modo que a escolha do tipo de roda a ser utilizado no

projeto influi diretamente na cinemática da movimentação do robô como um todo.

Figura 2.1 – Principais tipos de rodas: a) padrão, b) castor, c) sueca, d) esférica.

11

A roda padrão e a roda castor possuem um eixo primário de rotação, e para se

moverem em uma direção diferente é necessário que sofram uma rotação em seu eixo

vertical. A maior diferença entre estes dois tipos de rodas é que a roda padrão consegue

realizar esta rotação sem grandes efeitos de esforços na estrutura e na movimentação,

uma vez que o centro de rotação passa pelo ponto de contato da roda com o solo. Já para

a roda castor gera uma força no chassi do robô, uma vez que o eixo de rotação vertical

não passa pelo ponto de contato da mesma com o solo.

As rodas suecas e esféricas possuem um design que ocasiona menos restrições à

mudança de direções que a roda padrão. A roda sueca funciona como uma roda comum,

porém possui menores resistências em direções diferentes, sendo este um de seus pontos

positivos. As direções disponíveis são definidas pela angulação de seus roladores. A

roda esférica é uma roda multidirecional, desenhada para que possa ser tracionada e

consiga rolar em qualquer direção; seu mecanismo é similar ao de um mouse

convencional de computador.

Independente de qual tipo de roda se utiliza em um mecanismo robótico, ainda se

torna necessária à implementação de um sistema de suspensão para manter o contado

das rodas com o solo. Uma das formas mais simples desse sistema é a utilização de

mecanismos na própria roda, os quais imputam uma maior flexibilidade ao movimento

das mesmas. Por exemplo, a utilização de borrachas macias nas rodas de robôs

domésticos, que precisam passar por irregularidades no solo de trabalho, como: tapetes,

irregularidades no piso e pequenos desníveis.

2.2.1.1 – Geometria das Rodas

A escolha do tipo de rodas para um robô móvel está intimamente ligada à escolha

do arranjo e a geometria das rodas na estrutura robótica, e é necessário levar em conta

estes dois fatores no projeto do sistema de locomoção. Três características fundamentais

de um robô são diretamente influenciadas por estas escolhas: estabilidade,

manobrabilidade e controlabilidade.

Diferente dos automóveis, que são largamente projetados para um ambiente

altamente padronizado (ruas e estradas), os robôs móveis são desenhados para uma

grande variedade de aplicações. Os automóveis em geral compartilham do mesmo tipo

de configurações de rodas, pois estas proporcionam uma maximização da estabilidade,

12

manobrabilidade e controlabilidade dos mesmos, o que não ocorre para os robôs, que

precisam ser adaptados a cada ambiente de trabalho.

A Figura 2.2 fornece uma visão geral das configurações de rodas ordenadas pelo

número de rodas, mostrando tanto a seleção particular dos tipos de rodas como a sua

configuração geométrica no chassi do robô. Pode-se observar uma larga variedade de

opções de arranjos.

Figura 2.2 – Tipos de arranjos de rodas possíveis para robôs móveis. Fonte:

SIEGWART e NOURBAKHSH (2004).

Nas seções seguintes serão introduzidos os principais desafios relacionados ao uso

dos tipos de roda e sua influência para os três conceitos fundamentais de estabilidade,

manobrabilidade e controlabilidade.

2.2.1.2 – Estabilidade

Como já dito antes, surpreendentemente o número mínimo de rodas necessárias

para garantir a estabilidade estática é duas. É possível dispor duas rodas de forma que o

13

robô resultante possua estabilidade, para isto é necessário que o centro de massa do

mesmo esteja abaixo do eixo das rodas. Como exemplo, a Figura 2.3 apresenta o robô

CYE, um robô comercial para atividades domésticas.

Figura 2.3 – Robô comercial CYE. Fonte: BATAVIA e NOURBAKHSH (2000).

No entanto, em condições normais este tipo de solução exige diâmetros de rodas

que podem ser muito grandes e que inviabilizam a utilização na prática. Em termos

dinâmicos, a utilização deste método pode causar o contato de um terceiro ponto da

estrutura com o solo, por exemplo, como consequência do torque aplicado pelo motor

nas rodas, associado a um desnível no terreno de atuação.

Convencionalmente, para conseguir a estabilidade estática é necessária a

utilização de pelo menos três rodas, em paralelo com o fato de que o centro de massa

deva estar contido no triângulo formado pelos pontos de contato da roda com o solo. A

estabilidade pode ser melhorada com a adição de mais rodas a estrutura, porém a

inclusão de mais rodas torna a estrutura “super estática”, o que faz com que seja

necessária a preocupação com uma suspensão flexível, quando utilizado em terrenos

mais irregulares.

14

2.2.1.3 – Manobrabilidade

Alguns robôs são omnidirecionais, ou seja, podem se mover a qualquer momento

para qualquer direção, independentemente de sua orientação em relação ao seu eixo

vertical. Esse grau de manobrabilidade exige rodas que possam se mover em mais de

uma direção, e por isso robôs omnidirecionais normalmente possuem rodas suecas ou

esféricas que são tracionadas. Um bom exemplo é o robô Uranus, Figura 2.4, que se

utiliza de rodas suecas para transladar e rotacionar independentemente e sem restrições.

Figura 2.4 – Robô comercial Uranus. Fonte: PODNAR (1985).

Em geral, os tipos de superfícies em que robôs com rodas suecas e esféricas atuam

são bastante limitados, devido ao número de restrições mecânicas inerentes à construção

de rodas omnidirecionais. Uma interessante solução para este problema é a utilização de

um arranjo com quatro rodas castor, onde cada uma das rodas é guiada e ativamente

transladada. Nesta configuração o robô é omnidirecional, porque mesmo que a roda

castor esteja perpendicular à direção desejada de movimentação, o robô ainda pode se

mover na direção desejada guiando as rodas.

Em pesquisas recentes, outras classes de robôs móveis são populares e atingem

um alto grau de manobrabilidade, sendo pouco inferiores aos robôs omnidirecionais.

Nestes robôs a movimentação em uma direção particular pode inicialmente exigir um

movimento rotacional. Com um chassi circular e o eixo de rotação no centro do robô, o

mesmo pode girar, assim alterando os ângulos entre as suas rodas e a direção de

movimento desejada. O mais popular deste tipo é o robô diferencial com duas rodas

tracionadas, onde duas rodas rodam em torno do ponto central do mesmo. Um ou dois

15

pontos adicionais de contato com o solo podem ser incluídos, visando aumentar a

estabilidade, dependendo de sua aplicação.

2.2.1.4 – Controlabilidade

Em geral existe uma relação inversamente proporcional entre a controlabilidade e

a manobrabilidade. Por exemplo, os robôs omnidirecionais, como o de quatro rodas

castor mencionado anteriormente, necessitam de um grau de processamento

significativo para converter as rotações e translações de cada roda em um valor desejado

para a movimentação do robô como um todo. Além disto, os arranjos omnidirecionais

possuem elevados números de graus de liberdade. Por exemplo, a roda sueca possui um

arranjo de roladores livres em torno do perímetro da roda. Esses graus de liberdade

causam uma acumulação de possibilidades de derrapagem, tendendo a reduzir a

precisão do movimento e aumentar a complexidade do projeto.

Controlar um robô omnidirecional para uma direção específica é uma atividade

também mais difícil e menos precisa, quando comparada a projetos com menor

manobrabilidade. Em robôs diferenciais com duas rodas tracionadas, os dois motores

presos às duas rodas precisam impor a mesma velocidade para ambas, o que pode ser

um desafio, considerando variações entre as rodas, motores e o ambiente.

2.2.2 – Escolha da Disposição das Rodas

Após a análise dos conceitos inerentes a movimentação de robôs por rodas, pode-

se chegar à conclusão de que não existe um arranjo ideal de rodas que consiga

simultaneamente maximizar a estabilidade, manobrabilidade e controlabilidade do robô

a ser projetado. Tendo isto em mente, cabe ao projetista avaliar a configuração

necessária que mais se aproxima das condições ideais para a atuação dos mecanismos

no ambiente de trabalho.

Para a escolha da disposição das rodas para este projeto foi necessário fazer uma

análise crítica das propriedades mais importantes para o bom funcionamento do robô em

seu ambiente de trabalho. Neste ponto é importante também avaliar o que vem sendo

utilizado no mercado em projetos semelhantes ao robô a ser projetado. Como, por

exemplo, o M-288 do fabricante Master Home, Figura 2.5, que assim como a grande

16

maioria dos robôs semelhantes ao projeto, utilizam o arranjo diferencial de duas rodas

tracionadas com um terceiro ponto de contato.

Figura 2.5 – Robô M-288, fabricante Master Home.

O ambiente doméstico é predominantemente plano, com pequenas variações,

principalmente ocasionadas por tapetes e pisos. Outro componente importante do

ambiente doméstico é a presença de muitos obstáculos, tais como: móveis, paredes,

itens decorativos, etc. Dessa forma, a manobrabilidade se torna um fator importante

para o projeto.

Levando em consideração esses aspectos, chega-se à conclusão de que o arranjo

de rodas a ser utilizado deve ser o diferencial com duas rodas tracionadas e um terceiro

ponto de apoio, conforme a Tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Arranjo de rodas selecionado.

17

2.3 – Cinemática

O estudo da cinemática é fundamental para compreender o comportamento

mecânico do robô, tanto para a realização de um projeto mais eficiente do ponto de vista

de mobilidade, como em relação ao controle do movimento.

Manipuladores robóticos vêm sendo submetidos a estudos intensos há algumas

décadas, e em alguns aspectos eles são bem mais complexos do que robôs móveis. Um

manipulador robótico pode possuir, por exemplo, cinco ou mais juntas independentes,

enquanto um robô móvel pode ser uma simples máquina de controle diferencial. Nos

últimos anos, a comunidade robótica atingiu uma compreensão praticamente completa

da cinemática e, até mesmo, dinâmica dos manipuladores robóticos (SIEGWART e

NOURBAKHSH, 2004).

Ao contrário dos manipuladores, existem muitos questionamentos com relação

aos robôs móveis. O ambiente de trabalho de um manipulador robótico é crucial, pois

ele define as possíveis posições que podem ser alcançadas pelo seu atuador, uma vez

que o manipulador é fixo no ambiente. Já o ambiente de trabalho de um robô móvel é

igualmente importante, pois define o universo de posições atingíveis pelo robô nesse

ambiente. A controlabilidade do braço robótico define o modo que os motores atuadores

podem ser usados para cada movimentação no espaço de trabalho, enquanto nos robôs

móveis a controlabilidade define a possibilidade de trajetórias no ambiente.

Considerações de massa e forças atuantes nos robôs fornecem restrições

adicionais ao espaço de trabalho e trajetória. A movimentação do robô pode ser

influenciada, por exemplo, por um centro de gravidade alto, que limita o raio das curvas

feitas em velocidades elevadas devido ao risco de capotagem.

Porém, a maior diferença entre um robô móvel e um braço manipulador, que

também introduz um significante desafio, é estimar a posição. Um manipulador tem

uma das pontas fixas ao ambiente, e medir a posição do braço é uma questão apenas de

compreender a cinemática do manipulador e de suas juntas. Além disso, a posição de

um manipulador é sempre computável através da informação de seus sensores. Porém,

um robô móvel pode se mover em todo o ambiente de trabalho por si mesmo. Não

existe um meio direto de medir a sua posição instantaneamente. Ao invés disso, é

necessário integrar o movimento do robô em função do tempo. Adicionando a essa falta

de precisão os erros ocasionados devido à derrapagem das rodas, a medição da posição

de um robô se torna ainda mais complexa.

18

O processo de compreensão dos movimentos de um robô começa com o processo

de descrição da contribuição de cada roda para o movimento. Cada roda tem uma

contribuição na movimentação final do robô. Pelo mesmo raciocínio, cada roda impõe

restrições a movimentações do robô. Nas próximas seções serão apresentados os

estudos cinemáticos feitos para a representação do movimento do robô em um sistema

global e solidário ao robô, para em seguida, apresentar a construção do movimento do

robô em função de sua geometria e as restrições impostas por suas rodas. Para por fim,

construir as restrições cinemáticas de todo o robô.

2.3.1 – Modelos Cinemáticos e Restrições

Como dito anteriormente, cada roda individualmente contribui para a

movimentação do robô, e ao mesmo tempo, impõe restrições na mesma. As rodas estão

presas simultaneamente à estrutura do chassi do robô e, portanto, suas restrições

precisam ser combinadas para modelar as restrições globais do robô.

Porém, as forças e restrições de cada roda precisam ser expressas em relação a um

referencial claro e consistente. Isto é particularmente importante na robótica móvel

devido a sua natureza de movimentação; um mapeamento claro entre as referências

locais e globais é necessário. A princípio, serão definidas formalmente as referências a

serem utilizadas na avaliação da cinemática individual de cada roda.

2.3.1.1 - Representação de Posicionamento

Ao longo da análise a ser apresentada, o robô foi modelado como um corpo rígido

se movimentando em um plano horizontal. O objeto de estudo é um robô que tem seu

posicionamento definido por três dimensões: duas para representar a sua posição no

plano e uma para a rotação em relação ao seu eixo vertical, que é ortogonal ao plano de

movimentação.

Existem outros graus de liberdade adicionais devido aos eixos das rodas, juntas

dos pneus, e juntas da roda castor. No entanto, o chassi do robô é um corpo rígido sem

levar em consideração os graus de liberdade internos ao robô e suas rodas.

Para especificar a posição do robô no plano é estabelecida uma relação entre a

referência global do plano e a referência local do robô, como na Figura 2.6. Os eixos 𝑋𝐼

e 𝑌𝐼 definem uma base inercial arbitrária no plano, com origem O: {𝑋1, 𝑌1}. Para

19

especificar a posição do robô escolhe-se um ponto P no chassi do robô e sua posição em

relação ao ponto de referência. A base {𝑋𝑅, 𝑌𝑅} define dois eixos relativos ao ponto P

no chassi do robô e é, portanto, a referência local do robô.

Figura 2.6 – Referenciais global e local. Fonte: SIEGWART e NOURBAKHSH (2004).

A posição do ponto P no referencial global é especificada por coordenadas x e y, e

a diferença angular entre as referências global e local é dada por 𝜃. É possível descrever

a posição do robô como um vetor com estes três elementos. A notação 𝐼 é utilizada para

representar que a referência utilizada é o sistema global.

(2.1)

Para descrever a movimentação do robô em termos da movimentação de suas

componentes será necessário transformar a movimentação ao longo dos eixos do

referencial local para as movimentações no referencial inercial do robô. Esta

20

transformação é uma função da posição instantânea do robô e pode ser alcançada

utilizando a matriz ortogonal de rotação:

𝑅(𝜃) = [cos (𝜃) 𝑠𝑒𝑛(𝜃) 0

−𝑠𝑒𝑛(𝜃) cos (𝜃) 00 0 1

] (2.2)

Esta matriz pode ser utilizada para transformar a movimentação do referencial

global {𝑋1, 𝑌1} para a representação em termos do referencial local {𝑋𝑅, 𝑌𝑅}. Esta

operação é representada por 𝑅(𝜃)𝜉�̇�, e considerando, por exemplo, o robô na posição da

Figura 2.7:

(2.3)

Figura 2.7 – Rotação do referencial local. Fonte: SIEGWART e NOURBAKHSH

(2004).

Para esta posição 𝜃 =𝜋

2, e dessa forma pode-se calcular, a partir da equação (2.2),

a matriz de rotação instantânea R:

21

(2.4)

Dada uma velocidade qualquer (�̇�, �̇�, 𝜃)̇ no referencial global é possível calcular

as componentes do movimento ao longo dos eixos 𝑋𝑅 e 𝑌𝑅 do robô. Neste caso, devido

ao ângulo específico do robô, a movimentação ao longo de 𝑋𝑅 é igual a �̇� e o

movimento ao longo de 𝑌𝑅 é −�̇�:

(2.5)

Nos casos mais simples, a transformação descrita na equação (2.3) é suficiente

para gerar a fórmula que descreve a movimentação do robô. Considerando agora o

exemplo da Figura 2.8.

Figura 2.8 – Movimentação do chassi.

Dado um ponto P localizado no ponto central as duas rodas traseiras, cada roda

está a uma distância 𝑙 do ponto P. Dados 𝑟, 𝑙, 𝜃 e a velocidade do giro de cada roda 𝜑1̇ e

𝜑2̇, o seguinte modelo cinemático poderia prever a velocidade total do robô em relação

ao referencial global:

22

(2.6)

Da equação (2.3) sabe-se que é possível calcular a movimentação do robô no

referencial global a partir da velocidade no referencial local:

(2.7)

Portanto, a estratégia será calcular a contribuição de cada uma das duas rodas no

referencial local, 𝜉�̇�. A solução é encontrada diretamente. Supondo que o referencial

local do robô está alinhado de forma que o robô se mova para frente ao longo de +𝑋𝑅.

Primeiro considera-se a contribuição da velocidade de cada roda girando para a

velocidade de translação do ponto P na direção positiva de 𝑋𝑅.

Se uma das rodas girar enquanto a outra estiver parada, como P está na metade do

caminho entre as duas rodas, P se moverá instantaneamente com metade da velocidade:

�̇�𝑟1 = (1

2) 𝑟𝜑1̇ e �̇�𝑟2 = (

1

2) 𝑟𝜑2̇. Em um robô diferencial estas duas componentes podem

ser, simplesmente, somadas para calcular a componente 𝑋𝑅 da velocidade do robô no

referencial global. Considerando a roda da direita (roda 1), o giro para frente desta roda

resulta em um giro anti-horário no ponto P. A velocidade de rotação 𝜔1 em P pode ser

calculada porque a roda está instantaneamente se movendo ao longo de um círculo de

raio 2𝑙:

(2.8)

Um cálculo análogo pode ser feito para a roda 2, com a diferença de que a mesma

gera uma rotação no sentido horário no ponto P:

(2.9)

23

Combinando as duas contribuições individuais chega-se ao modelo cinemático

para o exemplo proposto:

(2.10)

Pode-se agora usar este modelo cinemático em um exemplo prático. Porém, antes

é preciso calcular 𝑅(𝜃)−1.

𝑅(𝜃)−1 = [cos (𝜃) −𝑠𝑒𝑛(𝜃) 0𝑠𝑒𝑛(𝜃) cos (𝜃) 0

0 0 1

] (2.11)

Supondo que o robô está posicionado de forma que 𝜃 =𝜋

2, 𝑟 = 1, 𝑙 = 1. Se o robô

estiver com as rodas girando com velocidades �̇�1 = 4; �̇�2 = 2, pode-se calcular a

velocidade no referencial global:

(2.12)

Então, nestas condições o robô irá se movimentar ao longo do eixo y do

referencial global com 3 unidades de velocidade, enquanto roda com 1 unidade de

velocidade angular. Esta modelagem cinemática pode fornecer informações sobre a

velocidade do robô a partir das velocidades de cada uma de suas rodas. Porém, para

uma modelagem mais completa é necessário fazer uma análise das restrições ao

movimento, impostas por cada uma das rodas. Esta análise será apresentada nas seções

seguintes.

24

2.3.1.2 – Restrições Cinemáticas nas Rodas

O primeiro passo para montagem de um modelo cinemático de um robô é

expressar as restrições ao movimento em cada uma das rodas. Assim como nas seções

anteriores, as restrições individuais podem ser somadas para calcular as restrições do

robô como um todo. Serão apresentadas a seguir as restrições cinemáticas para os dois

tipos de rodas escolhidas para o arranjo do robô: a roda padrão e a roda castor.

Algumas simplificações importantes ajudarão a facilitar a apresentação das

restrições. Assume-se que o plano das rodas permanece sempre vertical e que em todos

há sempre um ponto de contato entre a roda e o solo. Também se assume que não há

deslizamento neste ponto único de contato, ou seja, as rodas giram nas condições de

rolamento puro e rotação em torno do eixo vertical que passa pelo ponto de contato com

o solo.

Lançando mão destas considerações, serão apresentadas duas restrições para cada

um dos tipos de roda. A primeira restrição reforça a hipótese do contato de rolamento,

ou seja, que a roda deve rolar na direção do movimento. A segunda restrição reforça o

conceito de que não há derrapagem, ou seja, as rodas não deslizam ortogonalmente ao

plano da roda.

Roda padrão fixa: esse tipo de roda não possui eixo vertical de rotação. Seu

ângulo em relação ao chassi é, portanto, fixo e constante e está limitada a rodar para

frente ou para trás ao longo do plano da roda, e rotação em torno do ponto de contato

com o solo. A Figura 2.9 mostra uma roda padrão fixa A e indica sua posição relativa ao

eixo de referência local do robô {𝑋𝑅, 𝑌𝑅}. A posição de A é expressa em coordenadas

polares pela distância 𝑙 e o ângulo 𝛼. O ângulo entre o plano relativo à roda e o chassi é

dado por 𝛽, que é fixado uma vez que a roda não gira em torno do eixo vertical. A roda,

que possui um raio 𝑟, pode girar ao logo do tempo, portanto, sua posição rotacional é

uma função do tempo: 𝜑(𝑡). A restrição de rolamento desta roda reforça que toda

velocidade ao longo da direção do plano da roda deve ser acompanhado pela quantidade

apropriada de giro da roda, de forma a ter o rolamento puro no ponto de contato:

[𝑠𝑒𝑛(𝛼 + 𝛽) − cos(𝛼 + 𝛽) (−𝑙)𝑐𝑜𝑠𝛽]𝑅(𝜃)𝜉�̇� − 𝑟�̇� = 0 (2.13)

25

Figura 2.9 – Roda padrão fixa.

Para o caso do robô deste projeto, a roda A se encontra em uma posição tal que

{(𝛼 = 0), (𝛽 = 0)}. Isso faz com que o ponto de contato da roda em 𝑋𝐼 seja orientado

paralelamente a 𝑌𝐼. Se 𝜃 = 0, então a restrição de deslizamento reduz para:

(2.14)

Isso restringe a movimentação da componente ao longo de 𝑋𝐼 a ser zero, e desde

que 𝑋𝐼 e 𝑋𝑅 sejam paralelas, a roda não pode deslizar para os lados, conforme o

esperado.

Roda Castor: as rodas castor são capazes de rotacionar em torno de seu eixo

vertical. No entanto, ao contrário da roda padrão, a rotação em uma roda castor não

passa pelo ponto de contato com o solo. A Figura 2.10 apresenta uma roda castor,

demostrando que para a especificação da mesma é necessário um parâmetro adicional.

26

Figura 2.10 – Roda castor.

O ponto de contato agora está na posição B, que é conectada a A por uma

estrutura rígida AB com um comprimento d, fixando a localização do eixo vertical no

qual B gira e o ponto A tem a posição especificada no referencial do robô. Assume-se

que o plano da roda está alinhado com AB em todos os momentos. Igualmente a roda

padrão, a roda castor possui dois parâmetros que variam em função do tempo. 𝜑(𝑡)

representa o giro da roda e 𝛽(𝑡) representa a rotação e orientação AB em função do

tempo. Para roda castor a restrição de rolamento é idêntica à equação (2.13) porque o

eixo de posicionamento não influi durante a movimentação alinhada ao plano da roda:

[𝑠𝑒𝑛(𝛼 + 𝛽) − cos(𝛼 + 𝛽) (−𝑙)𝑐𝑜𝑠𝛽]𝑅(𝜃)𝜉�̇� − 𝑟�̇� = 0 (2.15)

A geometria da roda gera, entretanto, um impacto significativo na restrição de

deslizamento. O problema crítico é o fato de que a força lateral na roda ocorre no ponto

A, porque este é ponto onde a roda é presa no chassi. Devido ao posicionamento do

contato com o solo em relação a A, a restrição de que não haja deslocamento lateral

estaria errada. No entanto, a restrição é bem parecida com a restrição de rolagem, e,

portanto, a rotação do eixo vertical precisa acontecer:

[𝑐𝑜𝑠(𝛼 + 𝛽) sen(𝛼 + 𝛽)𝑑 + 𝑙𝑠𝑒𝑛𝛽]𝑅(𝜃)𝜉�̇� − 𝑑�̇� = 0 (2.16)

27

Na equação (2.16), qualquer velocidade ortogonal ao plano da roda deve ser

balanceada por uma velocidade de mesmo módulo, mas no sentido oposto. Este

resultado é crítico para o sucesso das rodas castor, pois ajustando o valor de �̇�, qualquer

valor de velocidade lateral pode ser aceitável. Numa roda padrão que gira em torno do

eixo vertical, a rotação não causa movimento no chassi do robô. Porém numa roda

castor a rotação por si só gera uma movimentação no chassi do robô, devido à distância

entre o ponto de contato com o chão e o eixo vertical de rotação.

2.3.1.3 – Restrições Cinemáticas do Robô

Dado um robô móvel com M rodas, é possível calcular as restrições cinemáticas

do chassi do robô. A forma de realizar o cálculo se baseia na ideia de que cada roda

impõe zero ou mais restrições ao movimento do robô, então, o processo se resume a

combinar apropriadamente todas as restrições cinemáticas de cada uma das rodas, a

partir da localização de cada uma delas no chassi do robô.

Nas seções anteriores foi apresentado um estudo detalhado sobre as restrições

cinemáticas impostas pelas rodas padrão e castor, selecionadas para o presente projeto.

Foi possível, a partir deste estudo, observar que a roda castor não impõe restrições no

chassi do robô, uma vez que em seu ponto de aplicação da mesma o chassi pode se

mover em qualquer direção. Este fato se deve aos graus de liberdade internos a este tipo

de roda.

No entanto, as rodas padrão fixas têm impacto na cinemática global do chassi e,

portanto, é necessário que sejam feitas algumas considerações no cálculo das restrições

cinemáticas do robô. Considerando um robô que possua 𝑁 rodas padrão, 𝑁𝑓 são rodas

padrão fixas e 𝑁𝑠 rodas padrão guiadas. Usa-se 𝛽𝑠(𝑡) para denotar o ângulo variável das

rodas guiadas. Em contraponto, 𝛽𝑓 se refere à orientação das rodas padrão fixas. No

caso do giro da roda, tanto as rodas padrão guiadas como as fixas possuem posições

rotacionais em torno de seu eixo horizontal, variando em função do tempo. Denotam-se

os casos fixo e guiado separadamente como 𝜑𝑓(𝑡) e 𝜑𝑠(𝑡), além disso, usa-se 𝜑(𝑡)

como a matriz agregada que combina os dois valores (SIEGWART e NOURBAKHSH,

2004):

28

(2.17)

Pode-se agora mesclar as restrições de rolamento de todas as rodas em uma só

expressão:

(2.18)

Esta expressão possui uma grande semelhança com a equação de restrição de

rolamento de uma roda individual, porém os valores singulares da roda são substituídos

por matrizes que carregam as informações de outras rodas. 𝐽2 é uma matriz diagonal

constante, cujos valores são os raios de cada uma das rodas padrão. 𝐽1(𝛽𝑠) denota a

matriz com as projeções das velocidades de cada uma das rodas em seus planos

individuais:

(2.19)

Nota-se que 𝐽1(𝛽𝑠) é apenas uma função de 𝛽𝑠 e não de 𝛽𝑓. Isto ocorre porque as

orientações das rodas padrão guiadas variam em função do tempo, enquanto as

orientações das rodas fixas permanecem constantes. 𝐽1𝑓 é a matriz constante das

projeções de todas as rodas fixas e possui tamanho (𝑁𝑓 × 3), onde cada linha consiste

dos três termos da equação (2.12) para cada roda padrão fixa. 𝐽1𝑠(𝛽𝑠) é a matriz de

tamanho (𝑁𝑠 × 3), onde cada linha consiste nos três termos da matriz (2.12) para as

rodas guiadas.

Resumindo, a equação (2.19) representa a restrição que todas as rodas devem girar

em torno de seu eixo horizontal em um módulo apropriado as suas respectivas

velocidades ao longo do plano das rodas, de forma que o rolamento ocorra no ponto de

contato da roda com o solo.

Usa-se o mesmo raciocínio para estimar as restrições de deslizamento de todas as

rodas padrão em uma expressão única:

29

(2.20)

(2.21)

𝐶1𝑓 e 𝐶1𝑠 são matrizes de tamando (𝑁𝑓 × 3) e (𝑁𝑠 × 3), respectivamente, e suas

linhas são os três termos das matrizes das equações (2.13) para todas as rodas fixas e

guiadas. Portanto, a equação (2.21) é a restrição sobre todas as rodas padrão, que

garante que todas as componentes de velocidade ortogonais ao plano da roda serão zero.

Esta restrição de deslizamento sobre todas as rodas padrão ocasiona o impacto mais

significante na definição da manobrabilidade do chassi do robô.

As equações de restrição apresentadas anteriormente relacionaram a velocidade do

robô com as restrições de rolamento e deslizamento 𝐽1(𝛽𝑆) e 𝐶1(𝛽𝑆), e a velocidade de

giro das rodas do robô, �̇�. É possível, então, mesclar as duas equações em uma só

expressão:

(2.22)

Esta é uma expressão geral e que deve ser mais trabalhada para cada tipo de

arranjo de rodas. No caso do robô do presente projeto, utiliza-se o arranjo diferencial de

duas rodas tracionadas. Pode-se, então, construir as expressões 𝐽1(𝛽𝑆) e 𝐶1(𝛽𝑆), a partir

das restrições de cada roda já calculadas neste capítulo. A roda castor não é tracionada e

livre para se mover em qualquer direção, portanto, não influi para a restrição total do

robô. As duas rodas restantes são tracionadas, porém, não guiadas e, portanto, 𝐽1(𝛽𝑆) e

𝐶1(𝛽𝑆) se simplificam a 𝐽1𝑓 e 𝐶1𝑓, respectivamente.

Para empregar a fórmula de restrição da roda padrão fixa é preciso primeiro

identificar os valores de 𝛼 e 𝛽 para cada roda. Supondo que o referencial local do robô

está alinhado de forma que o robô se mova para frente na direção +𝑋𝑅, para a roda da

direita 𝛼 =𝜋

2 , 𝛽 = 𝜋, e para a roda da esquerda 𝛼 =

𝜋

2 , 𝛽 = 0. Nota-se que o valor de

𝛽 para a roda da direita é necessário para garantir que o giro positivo na roda cause um

30

movimento na direção +𝑋𝑅. Agora é possível calcular as matrizes 𝐽1𝑓 e 𝐶1𝑓 usando os

termos das equações (2.12) e (2.13). Como as duas rodas são paralelas, a equação (2.13)

resulta em apenas uma equação independente, e a equação (2.22) fornece:

(2.23)

Invertendo a equação (2.23) é possível encontrar a equação cinemática específica

para o robô deste projeto, que descreve o comportamento cinemático do mesmo:

(2.24)

2.4 – Caminho ou Trajetória

Na robótica móvel, além de se preocupar com a habilidade do robô de chegar a

um determinado ponto, é preciso fazer considerações sobre como ele chegará até o

objetivo. Considerando o problema da habilidade de um robô em seguir caminhos, no

melhor dos casos o robô deve ser capaz de traçar qualquer caminho no ambiente de

trabalho para atingir os pontos necessários. Claramente, um robô omnidirecional

consegue ter esta habilidade. Infelizmente, robôs omnidirecionais se utilizam de rodas

sem restrições, limitando a escolha de suas rodas a rodas suecas, castor ou esféricas.

Como já foi mencionado anteriormente, estes tipos de rodas além de possuírem uma

fabricação e instalação mais complexa, também tornam o controle do movimento

bastante complexo, inviabilizando a sua aplicação pela alta complexidade agregada.

Além disso, rodas com restrições podem contribuir positivamente para a

estabilidade na movimentação do robô. Logo, considere um veículo omnidirecional

trafegando a alta velocidade em uma curva com raio constante. Durante esta

movimentação o robô estará sujeito a uma força centrípeta. Esta força lateral

31

empurrando o veículo para fora da curva tem que ser contrabalanceada pelo motor das

rodas. Em caso de falhas no motor ou no controle do movimento, o robô será jogado

para fora da curva.

Outro ponto a ser observado é a definição de qual caminho será percorrido pelo

robô visando uma melhor cobertura da área a ser percorrida. Para esta análise foram

consideradas duas formas de movimentação dentro do ambiente de trabalho: a

movimentação aleatória e em ziguezague, exemplificadas na Figura 2.11. Para

simplificar a análise torna-se necessário que sejam feitas algumas considerações em

relação ao ambiente de atuação. Para a análise a seguir foi considerado um ambiente de

trabalho de superfície plana e de dimensões 4m x 5m, o que equivale ao tamanho médio

de um cômodo de uma residência brasileira.

Figura 2.11 – Tipos de movimentação: (a) aleatória, (b) ziguezague.

Considerando que o robô se movimenta com a mesma velocidade em ambos os

casos, pode-se observar que a trajetória aleatória proporcionará uma menor quantidade

de paradas para mudança de direção de deslocamento do robô, seja devido ao encontro

com as paredes do ambiente ou, no caso do ziguezague, mudanças de direção previstas

na programação do movimento. Como consequência, para um mesmo intervalo de

tempo, um robô móvel se movimentando aleatoriamente pelo ambiente percorre uma

maior distância. Em contraponto, através da movimentação em ziguezague é possível

garantir que o robô percorrerá toda a área do ambiente, uma vez que fique trabalhando

tempo suficiente para completar o percurso.

Levando em consideração o objetivo do robô, que é o de realizar a tarefa de

aspiração de pó doméstica, torna-se necessário o uso das duas formas de locomoção

32

para objetivos de limpeza diferentes. Para uma limpeza mais pesada, quando o ambiente

se encontra mais sujo recomenda-se o uso da movimentação em ziguezague, para

garantir que toda a área seja coberta. Já nos casos de uma limpeza mais leve ou de

rotina, recomenda-se o uso da movimentação aleatória, pois proporcionará uma maior

distância percorrida com menos tempo em funcionamento, proporcionando uma

economia de energia para o usuário.

2.5 – Considerações Finais

Neste capítulo foram apresentados os tipos de locomoção existentes na robótica

móvel, que em sua maioria são inspirados em modos de movimentação observados na

natureza, excetuando-se a movimentação por rodas, que não é diretamente observado

nos sistemas biológicos. Porém, não é um conceito completamente alheio ao encontrado

na natureza, devido à possiblidade de aproximação com a locomoção bípede.

Também foram introduzidas as diferentes possibilidades de arranjos de rodas para

robôs móveis, passando pela apresentação dos quatro principais tipos de rodas utilizadas

no mercado atual. Tendo como base essas informações, foi definido o arranjo de rodas

para o robô do presente projeto, uma disposição diferencial com duas rodas tracionadas

e um terceiro ponto de apoio. Neste momento também foram apresentados os conceitos

de estabilidade, manobrabilidade e controlabilidade dos robôs móveis.

Por fim, foi apresentada uma análise cinemática da movimentação do robô,

definindo-se referências a serem utilizadas na análise, passando pelas restrições

impostas pelas rodas ao movimento do robô, e chegando-se a equação (2.24) que

representa cinematicamente a movimentação do robô no ambiente de trabalho. Além

disto, foi apresentada uma análise das trajetórias possíveis para proporcionar uma

cobertura satisfatória da área de trabalho.

2.5.1 – Sensores e Atuadores

É importante mencionar que o mecanismo de locomoção depende diretamente da

integração com sensores e atuadores, para que a relação do robô móvel com o ambiente

seja satisfatória. Dessa forma, a locomoção do robô será completada com dois motores

de passo independentes, ligados às rodas padrão fixas. A percepção de obstáculos no

ambiente, como na Figura 2.12, será obtida através das informações de sensores

33

ultrassônicos de presença. Informações mais detalhadas sobre a definição de sensores e

atuadores serão apresentadas no capítulo 5.

Figura 2.12 – Percepção de obstáculos.

34

Capítulo 3 – Sistema de Aspiração


O sistema de aspiração é parte fundamental para o bom funcionamento do robô,

uma vez que a ideia principal do projeto é facilitar atividades residenciais diárias,

apresentando alternativas econômicas e eficientes para substituir as atuais tecnologias

que dispomos. Para tal, é preciso fazer um estudo dos sistemas de aspiração já

consolidados, avaliando possíveis melhorias e adaptações a serem feitas para que o

projeto possua um desempenho superior ao que é oferecido no mercado.

Um aspirador de pó comum, como o da Figura 3.1, possui um princípio bastante

simples, e é composto por seis partes:

porta de entrada, que pode incluir uma variedade de acessórios de limpeza;

porta de saída, onde pode existir um filtro;

motor elétrico;

ventilador;

saco poroso ou recipiente plástico para reter o pó;

carcaça, que contém todos os outros componentes.

Figura 3.1 – Interior do aspirador de pó. Fonte: http://casa.hsw.uol.com.br

35

Ao conectar o aspirador de pó à rede elétrica, a corrente elétrica proveniente liga o

motor. O motor está conectado ao ventilador, que tem pás inclinadas e à medida que as

pás do ventilador giram, elas forçam o ar em direção à porta de saída. Quando as

partículas de ar são movidas para frente, a densidade de partículas (e a pressão do ar)

aumenta na parte da frente do ventilador e diminui na parte de trás. O nível de pressão

depois do ventilador cai abaixo da pressão fora do aspirador (a pressão atmosférica do

ambiente). Isto cria a sucção, uma aspiração parcial para dentro do aspirador. O ar do

ambiente externo entra no aspirador através da porta de entrada porque a pressão do ar

dentro do aspirador é menor que a pressão externa.

Após entender o funcionamento do aspirador é preciso então avaliar os diferentes

tipos de sistemas de aspiração, levando em consideração suas vantagens e desvantagens.

Após avaliação de diversos sistemas, chegou-se a um tipo específico de mecanismo

chamado “aspirador ciclone”, desenvolvido por James Dyson. Este mecanismo tem

como grande característica sua maior eficiência, e funciona com um sistema constituído

de dois cilindros, sendo um deles cônico, que recebe a passagem de ar, não possuindo

saco ou filtro, como os sistemas mais tradicionais. Esta é a sua principal vantagem em

relação aos meios mais comuns e razão para implementação deste mecanismo no robô.

Por não possuir filtros, sua sucção não diminui após uma grande quantidade de sujeira

sendo aspirada.

O sistema ciclone tem o seguinte princípio de funcionamento: um motor de

sucção é ligado a um tronco de cone que possui uma entrada para a poeira em sua base e

uma saída em seu topo; o motor produz uma sucção no cone, fazendo com que a poeira

entre no mesmo, e uma vez dentro do cone é gerado um movimento que lembra o de um

ciclone, por isso o nome do sistema. Devido à geometria do cone, esse movimento do ar

que entra faz com que as partículas de poeira sejam projetadas contra a parede do cone e

levadas ao topo do mesmo, onde são coletadas.

Uma vez realizada a escolha do tipo de mecanismo, é preciso então avaliar o seu

funcionamento nas condições impostas na utilização em um robô móvel. Dessa forma,

nas próximas seções serão apresentados os estudos fluidodinâmicos realizados após a

decisão de utilização do sistema, bem como uma simulação computacional fluido-

dinâmica, que auxiliará na compreensão do funcionamento do sistema.

36

3.2 – Separadores Ciclônicos

Um aspirador de pó ciclone é composto de um tronco de cone acoplado a um

cilindro reto, Figura 3.2. O ar é succionado para dentro do mecanismo pela parte

superior do acoplamento. Ao entrar pela parte superior, o ar é forçado a percorrer uma

trajetória ciclônica pela atuação das paredes do ciclone e sua geometria; a velocidade de

giração aumenta proporcionalmente à redução do raio da seção cônica.

Figura 3.2 – Funcionamento e dimensões do separador. Fonte: Soler & Palau S.A.,

http://www.solerpalau.pt

As partículas de sujeira imersas no ar, por possuírem uma massa bem maior do

que o ar, são jogadas para fora do vórtice ciclônico formado e se chocam com a parede

do sistema, que força as partículas a acompanharem a direção do aumento de velocidade

do ciclone e, por fim, são expulsas do acoplamento da base inferior, o chamado

underflow. Enquanto isso ocorre, o ar já sem as partículas pesadas de sujeira escoa para

a parte superior do sistema e é liberado no ambiente, o chamado overflow. A altura, o

37

diâmetro e o ângulo das paredes do cone afetam a eficiência da remoção de partículas.

O modelo deve ser escolhido de acordo com o uso a que será destinado.

Atualmente, existe uma grande variedade de geometrias distintas de ciclones. Isto

faz com que seja difícil classificá-los em categorias bem definidas (CAPELA MORAES

et al., 2011). No entanto, é possível separá-los em: separadores ou classificadores.

Em geral, ciclones separadores trabalham com altas vazões em baixas quedas de

pressão. Seu desempenho é, normalmente, medido em função do percentual de

partículas imersas no fluido que são retiradas na saída inferior do ciclone. A vazão de ar

no underflow é considerada nula.

Já os classificadores têm como objetivo separar fases dispersas de escoamento em

duas partes, no underflow sai a fase mais pesada e no overflow a fase mais leve.

Os separadores ciclônicos possuem seu desempenho evidenciado por uma curva

de separação característica, Figura 3.3, onde se traça o tamanho da partícula na entrada

do ciclone versus a probabilidade da mesma ser expelida pelo sistema no underflow.

Figura 3.3 – Curva típica de separação. Fonte: CORTÉS e GIL (2007).

A curva característica é influenciada pela geometria, parâmetros de operação,

característica dos fluidos e das partículas. Uma separação completa das partículas

raramente é atingida.

A queda de pressão no separador ciclônico é definida como a diferença entre a

pressão de entrada e o overflow; este parâmetro é frequentemente modificado para

38

aumentar a eficiência de separação. Um aumento da queda de pressão reprenda um

aumento da velocidade de escoamento e, por consequência, um aumento da quantidade

de partículas recuperadas no underflow.

As partes constituintes afetam a eficiência de operação e suas influências são

(RAWLINS, 2002):

Área da entrada: para uma dada queda de pressão, a diminuição da área de

entrada irá aumentar a velocidade do fluido, e conforme observado anteriormente, o

aumento da velocidade do fluido aumenta a recuperação de partículas pequenas,

aumentando, portanto, a eficiência de coleta.

Vortex finder: o vortex finder é o trecho tubular que está contido no interior

do ciclone, evitando que ocorra by-pass, ou seja, que haja fluxo de fluido da entrada

direto para o overflow.

Seção cilíndrica: a seção cilíndrica é localizada entre a entrada e a seção

cônica do ciclone. O aumento do comprimento da seção cilíndrica proporciona uma

melhor coleta de partículas menores.

Seção cônica: a seção cônica tem normalmente um ângulo de até 20° para

grandes ciclones, e de 6 a 12° para ciclones menores. Ângulos menores proporcionam

uma melhor coleta de partículas menores.

3.3 – Fluidodinâmica Computacional (CFD)

Nos dias atuais as simulações computacionais de situações reais de problemas

físicos têm sido cada vez mais utilizadas, auxiliando a compreensão do comportamento

físico, que por muitas vezes é de complexa resolução manual. Quando se trata de

escoamento de fluidos, a fluidodinâmica computacional é uma poderosa ferramenta para

a compreensão de problemas físicos que ocorrem em um determinado volume de

controle.

A modelagem matemática de fenômenos de escoamento abrange tanto as

equações de balanço de massa, momentos e energia, como fenômenos clássicos da

mecânica dos fluidos, como a turbulência. Por isso, torna-se fundamental para o sucesso

da aplicação do método computacional compreender a definição dos modelos a serem

utilizados para descrever a situação física.

Outro grande desafio a ser enfrentado é a discretização do domínio. Soluções

numéricas de problemas fluidodinâmicos só são atingíveis quando se divide o volume

39

de controle em um número finito de partes, onde serão aplicadas as equações que

representam o problema. Quanto mais próximos do domínio real forem as aproximações

finitas, mais precisa será a descrição numérica final.

Condições de contorno iniciais do fenômeno também são definições importantes a

serem avaliadas. Esses procedimentos irão gerar um conjunto de equações lineares

acopladas, ou não, que serão resolvidas com o auxílio da ferramenta computacional. Na

verdade, só é possível a aplicação da fluidodinâmica computacional devido ao grande

poder computacional existente nos dias de hoje.

Por fim, a solução obtida deve ser analisada e interpretada. Uma análise crítica

dos resultados se faz necessária para que, quando necessário, o modelo proposto possa

ser ajustado para melhores repostas numéricas. A Figura 3.4 mostra a estrutura de

resolução de problemas reais através da simulação computacional.

Figura 3.4 – Procedimento de resolução CFD.

A dinâmica dos fluidos computacional pode ser utilizada para o cálculo dos mais

diversos fenômenos: dissipação, difusão, convecção, ondas, superfícies livres e

turbulência. A esses fenômenos estão associados os mais diversos tipos de problema,

aplicados tanto a escoamentos externos (na aerodinâmica de naves espaciais, aviões e

automóveis, na hidrodinâmica de navios e submarinos, na hidrologia e oceanografia, no

fluxo em rios, mares e na atmosfera, etc.), quanto internos (sistemas reacionais,

combustão e turbinas a gás, transferência de calor e massa em equipamentos, transporte

em dutos, engenharia biomédica, etc.)(VERSTEEG e MALALASEKERA, 1995).

40

3.3.1 – Turbulência

Em mecânica dos fluidos, o chamado escoamento turbulento, fluxo turbulento ou

simplesmente turbulência, representa o escoamento de um fluido no qual as partículas

se misturam de forma não linear, isto é, de forma caótica com turbulência

e redemoinhos, em oposição ao fluxo laminar.

Um fluxo em regime turbulento pode dar-se em variadas situações, tanto

em superfícies livres como em escoamentos confinados. O parâmetro mais utilizado

para a verificação da existência deste regime é o número de Reynolds:

𝑅𝑒 = 𝜌𝑉𝐷

𝜇 (3.1)

Onde 𝜌 é a densidade do fluido, V a velocidade do escoamento, D o diâmetro da

tubulação e 𝜇 é a viscosidade do fluido. Usualmente, caso o valor deste seja superior a

2500, o regime é considerado turbulento. Contudo, este limite pode variar dependendo

das situações e dos autores.

Entre os fenômenos envolvidos com os escoamentos simulados através do CFD a

turbulência é sem dúvida o mais importante deles. Grande parte das simulações onde há

movimentação de fluidos deve possuir modelos adequados para representar este

fenômeno. São raros os casos de problemas encontrados na natureza e em aplicações

práticas em que o escoamento é completamente laminar.

A turbulência é um fenômeno ainda hoje bastante estudado, mas também muito

bem estabelecido. A turbulência envolve, principalmente, transferências convectivas de

momento, massa e energia, gerando, portanto, escoamentos necessariamente

tridimensionais (FORTUNA, 2000).

Escoamentos turbulentos são instáveis e contém flutuações que são dependentes

do tempo e da posição no espaço. Essa característica torna difícil a descrição dos

violentos movimentos de flutuação como, por exemplo, prever o local onde se formará

um turbilhão ou vórtice turbulento, ou de descrever o campo de velocidades com

precisão.

Para descrever este fenômeno existem alguns modelos já estabelecidos. Eles

podem ser divididos em duas classes: a primeira apresenta equações de transporte

http://pt.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A2nica_dos_fluidos

http://pt.wikipedia.org/wiki/Teoria_do_caos

http://pt.wikipedia.org/wiki/Redemoinho

http://pt.wikipedia.org/wiki/Fluxo_laminar

http://pt.wikipedia.org/wiki/Superf%C3%ADcie

http://pt.wikipedia.org/wiki/Par%C3%A2metro

http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Reynolds

http://pt.wikipedia.org/wiki/Autor

41

baseadas no conceito de viscosidade turbulenta, e a segunda propõe resolver as

equações para os tensores de Reynolds.

3.3.2 – Malhas

Passo importante para a simulação computacional é a definição da malha, que

pode ser definida como um conjunto de sub-regiões, ou elementos, em que se divide o

domínio geométrico do problema a ser analisado. As equações governantes do problema

são resolvidas gerando variáveis com valores discretos, para cada elemento da malha, e

a solução de um elemento é utilizada como condição de contorno para o elemento

adjacente.

Isso explica a necessidade do refinamento em regiões cujos gradientes das

variáveis em estudo são mais elevados, como ocorre nas regiões próximas à parede. Ou

seja, o tipo de malha adequado para o escoamento depende de sua complexidade e da

geometria do domínio.

As malhas se dividem basicamente em dois grupos: estruturadas e não-

estruturadas.

Malhas não-estruturadas, Figura 3.5a, são caracterizadas pela ausência de

regularidade na distribuição espacial dos pontos; um exemplo é a malha tetraédrica (ou

triangular, quando bidimensional). As malhas não-estruturadas são muito importantes

quando o domínio analisado é dado por uma geometria muito complexa.

Já as malhas estruturadas apresentam uma regularidade na distribuição espacial de

seus pontos. Um exemplo de malha estruturada é a malha hexaédrica, composta

somente por volumes hexaédricos. As malhas estruturadas podem ser uniformes, Figura

3.5b, quando seus pontos estão igualmente espaçados ou não-uniformes, Figura 3.5c,

quando seus pontos são espaçados de acordo com a necessidade do domínio,

possibilitando aglutinação ou espaçamento dos pontos em áreas específicas.

Quando existe uma mescla das malhas estruturadas e não-estruturadas tem-se as

chamadas malhas híbridas.

42

Figura 3.5 – (a) malha não-estruturada, (b) malha estruturada uniforme, (c) malha

estruturada não-uniforme.

3.3.3 – Método de Diferenças Finitas (MDF)

O MDF utiliza as equações diferenciais parciais na forma numérica, em função

dos pontos da malha. São obtidas equações algébricas, escritas para cada ponto da

região em que se deseja calcular a solução do problema. Pode-se pensar nas

aproximações de diferenças finitas como o inverso do processo de determinação do

limite. As aproximações de diferenças finitas podem ser obtidas de várias formas, como

por expansão em série de Taylor e interpolação polinomial (FORTUNA, 2000).

3.3.4 – Método de Elementos Finitos (MEF)

O MEF se baseia na divisão do domínio em um conjunto de volumes discretos, ou

elementos finitos, aplicável a malhas não-estruturadas. A característica marcante desse

método é a multiplicação das equações por uma função-peso antes de serem integradas

em todo o domínio, onde a solução é aproximada por uma função linear dentro de cada

elemento, garantindo a continuidade da solução através das condições de contornos em

cada elemento.

43

O MDF sempre foi mais utilizado pelos analistas da área de escoamento de

fluidos, enquanto o MEF era utilizado na área estrutural, para a solução de problemas de

elasticidade, os quais são problemas completamente diferentes, do ponto de vista físico.

Os de escoamento são altamente não lineares (equações de Navier-Stokes), enquanto os

problemas de elasticidade não possuem os termos convectivos, não lineares,

assemelhando-se a problemas puramente difusivos.

O MDF pode ser aplicado a qualquer tipo de malha, sendo usualmente aplicado a

malhas estruturadas, pois é mais simples e eficiente para estes casos. Por outro lado, o

MEF tem a vantagem de em malhas não-estruturadas ser mais facilmente aplicável, o

que permite a resolução de problemas em geometrias mais complexas.

3.3.5 – Método dos Volumes Finitos (MVF)

No MVF as equações são obtidas através de balanços de conservação da

propriedade envolvida (massa, quantidade de movimento, entalpia, etc.) no volume

elementar.

O MVF é por vezes confundido com o método das diferenças finitas, apesar de

terem formulações bem diferentes, pois em vários casos, as equações discretizadas

obtidas por ambos os métodos são iguais. Enquanto o MDF tem uma dedução

puramente matemática, a formulação do método de volumes finitos tem base física. Ele

é obtido a partir da integração das equações diferenciais parciais em uma região, ou

volume, do espaço. A sua desvantagem em relação ao método das diferenças finitas é

que para sistemas com escoamento tridimensional é necessário o uso de interpolação e

integração, ao passo que no método de diferenças finitas é necessária somente

interpolação.

A aplicação da técnica de volumes finitos permite escrever equações de diferenças

finitas que exprimem diretamente as equações desejadas. As equações diferenciais

parciais (EDPs) são integradas diretamente sobre a malha, o que facilita a obtenção das

equações de diferenças finitas e sua posterior solução numérica. Esse método pode ser

aplicado a qualquer tipo de malha e geometrias. Praticamente todos os grandes pacotes

de CFD hoje disponíveis no mercado para a solução de problemas de escoamento de

fluidos com transferência de calor empregam o MVF (CAPELA MORAES et al.,

2011).

44

Para mais detalhes sobre dinâmica aplicada e métodos computacionais aplicados à

dinâmica dos fluidos são recomendas as seguintes referências: TENENBAUM (2006), e

FERZIPER e PÉRIC (1996).

3.4 – Simulação do Ciclone

Nessa seção será apresentada a simulação realizada para o separador ciclônico

escolhido para o projeto do robô.

3.4.1 – Parâmetros Geométricos

A Figura 3.6 apresenta um desenho esquemático do separador ciclônico e suas

principais dimensões. Neste estudo, o ciclone avaliado possui entrada retangular,

portanto mais dois parâmetros geométricos são aplicáveis: a altura (Hc) e a largura do

duto de alimentação (Bc).

Figura 3.6 – Principais dimensões do separador ciclônico.

As dimensões principais do ciclone são calculadas em função do diâmetro Dc, que

é a dimensão da base do cilindro reto que compõe a parte superior do sistema. Existem

45

diversos estudos que apresentam as relações de interdependência das dimensões do

ciclone em função do diâmetro Dc. As avaliações dos principais autores em relação aos

parâmetros geométricos do ciclone são apresentadas na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Parâmetros geométricos de ciclones por vários autores (ARAÚJO, 1988).

O cilindro HE proposto por Stairmand é o modelo mais popular nas aplicações

relativas à separação gás/sólido, e por este motivo foi o modelo de proporção utilizado

no presente trabalho. Na Tabela 3.2 podem-se observar as dimensões finais escolhidas

para o separador, tomando como base o diâmetro Dc de 70 mm.

Tabela 3.2 – Dimensões escolhidas para o projeto.

Após a seleção do cilindro Stairmand HE e a definição das medidas principais a

partir da escolha do diâmetro Dc de 70 mm, é preciso definir mais um passo antes de

partir para a simulação computacional do sistema: a construção de um modelo 3D do

ciclone. A modelagem foi feita utilizando o software Solidworks 2014, e a visualização

Bc/Dc 0,2 Bc 14

Hc/Dc 0,5 Hc 35

Do/Dc 0,5 Do 35

Du/Dc 0,375 Du 26,25

l/Dc 0,5 l 35

L1/Dc 1,5 L1 105

L/Dc 4 L 280

Proporções Stairmand HE Dimensões do Trabalho (mm)

46

pode ser observada na Figura 3.7. Maiores detalhes do desenho do cilindro podem ser

encontrados nos desenhos técnicos na documentação gráfica anexada ao final do

trabalho.

Figura 3.7 – Modelagem 3D do ciclone em Solidworks.

3.4.2 – Software de Simulação

Nas seções subsequentes serão apresentadas as etapas realizadas do processo de

simulação computacional do escoamento do fluido no interior do ciclone, bem como os

resultados obtidos que auxiliarão na otimização e aperfeiçoamento do sistema.

Em todas as etapas de simulação foi utilizado o software ANSYS 14, um software

de alto desempenho desenvolvido pela ANSYS, que possui diversos pacotes de

simulação. Dentre eles, os conhecidos pacotes Mechanical e CFX, com recursos de

simulação de estrutura mecânica e de escoamento, respectivamente. O ANSYS também

é munido de um programa CAD, de uso recomendado para simulações de estruturas

mais complexas, que podem ter alguns detalhes perdidos quando importados de outros

softwares CAD.

Nas simulações aqui realizadas foi utilizado o pacote FLUENT, que é parte

integrante do software completo da ANSYS, e é recomendado para simulação de

escoamentos internos. As malhas e definições de condições de operação foram refinadas

com o auxílio do manual do usuário do próprio fabricante, além de vídeo aulas e

tutoriais disponíveis na internet.

47

3.4.3 – Geração da Malha

Na seção 3.3.2 foi introduzido o conceito do que é uma malha para simulação

computacional fluidodinâmica. Foi possível observar que a malha é um elemento de

extrema importância para a simulação computacional, uma vez que a partir das divisões

das malhas são aplicadas as equações governantes do problema, para encontrar uma

solução geral.

Nesta seção será mostrada a malha gerada utilizando o gerador de malhas do

pacote FLUENT do ANSYS. Nesse pacote é possível selecionar o tipo de malha

desejado. As malhas estruturadas podem proporcionar um melhor resultado nas

simulações, porém para geometrias como a do ciclone é necessário utilizar malhas não-

estruturadas, para que o modelo seja mais próximo da realidade. É importante

mencionar que quanto mais refinadas as malhas, melhores serão os resultados obtidos,

em contrapartida, malhas muito refinadas exigem um poder computacional maior para a

resolução dos problemas.

O tipo de malha escolhido foi o modelo padrão, onde as soluções do FLUENT

mais se aproximam de modelos mais complexos. Para garantir que a malha fique

próxima à geometria real, o desenho do ciclone foi refeito no software CAD da

ANSYS, com as mesmas dimensões do modelo desenhado no Solidworks.

Figura 3.8 – Malha gerada para a geometria do ciclone.

48

A malha produzida é composta por elementos triangulares, com tamanho médio

de 0,007 metros. Para um melhor refino da malha foi ajustado o centro de relevância das

malhas para o centro do ciclone, onde ocorre a mudança de direção do fluxo. Com os

refinamentos, chegou-se a uma malha com 44274 elementos e 8947 nós, Figura 3.8.

Esta quantidade é satisfatória para a obtenção de resultados condizentes com a

realidade, porém, resultados mais precisos com a utilização de computadores mais

poderosos poderão requerer um refinamento melhor. Detalhes da malha podem ser

vistos na Figura 3.9.

Figura 3.9 – Detalhes da malha gerada para a geometria.

3.4.4 – Parâmetros da Simulação

Após a definição de malhas para a geometria do ciclone, o próximo passo para a

simulação é a definição dos parâmetros. A Tabela 3.3 mostra as condições de operação

dos ciclones aplicadas ao modelo de simulação. Neste ponto é importante ressaltar que o

ANSYS trabalha com o método dos volumes finitos, introduzido na seção 3.3.5.

No pacote FLUENT foram escolhidos os modelos de escoamento e de turbulência

para a simulação. O modelo de escoamento escolhido foi o modelo multifásico

euleriano que considera equações de transporte para cada fase do domínio e a influência

de cada fase nas fases adjacentes. A velocidade de entrada do fluido escolhida foi de

11,3 m/s e uma turbulência de 5% do escoamento total.

49

Tabela 3.3 – Parâmetros de simulação.

3.4.5 – Resultados

Após a definição dos parâmetros de simulação o próximo passo é a inicialização

do solver do FLUENT. O ciclone foi inicialmente considerado com a pressão de 1 atm e

sem velocidade de escoamento nas direções x, y, z. Devido às limitações do computador

utilizado, o tempo de processamento médio foi de 3 horas.

Figura 3.10 – Linhas de corrente para o escoamento interno ao ciclone.

Definição do Problema Descrição

Tipo de escoamento Turbulento

Coordenadas Cartesianas

Gravidade (0,-9.81,0)

Tipo de fluido Incompressível

Fase contínuaAr; com desnidade = 1,142

kg/m3 e viscosidade = 1,85 x

10^-5 kg/m.s

Fase dispersa

Particulas de rocha

fosfática, com densidade =

3030 kg/m3 e diâmetro de

1,33 x 10^-6 m

50

Na Figura 3.10 é possível observar as linhas de corrente para o escoamento

interno ao ciclone Stairmand HE escolhido para o projeto. Conforme previsto pela

teoria de funcionamento do ciclone, o ar entra no ciclone tangencialmente ao cilindro

reto, e à medida que desce pela estrutura do ciclone, sofre uma aceleração devido à

redução de diâmetro.

A Figura 3.11 fornece o perfil de velocidades ao longo do ciclone. Esta

informação é útil para observar que a velocidade máxima do escoamento,

aproximadamente 18 m/s, ocorre logo após a entrada do ar na estrutura. Por mais que o

formato do ciclone contribua para o aumento da velocidade ao longo da passagem do ar,

a velocidade no interior não atinge novamente a velocidade máxima após a entrada. Isto

se deve a perda de carga decorrente da interação do fluido com as paredes do

mecanismo.

Figura 3.11 – Perfil de velocidades no interior do ciclone.


A grande preocupação existente na utilização do separador ciclone no robô móvel

era a necessidade de modificação na orientação, usualmente vertical, do ciclone. A

simulação computacional do sistema mostrou que o ciclone funciona satisfatoriamente

mesmo na posição horizontal, atingindo velocidades até 40% maiores do que a

velocidade de entrada do ar.

51

Estes resultados são suficientes para garantir que o sistema pode funcionar na

nova orientação proposta, mas que é preciso tomar cuidado com a perda de carga

ocasionada pela interação do fluido com as paredes do sistema.

Complementarmente ao estudo apresentado neste capítulo, sugere-se a realização

de futuros trabalhos voltados para a otimização das dimensões adotadas para o ciclone,

bem como um estudo mais aprofundado das condições da mecânica dos fluidos e

equações governantes para o problema do escoamento.

É importante mencionar que as simulações apresentadas neste trabalho se

limitaram a um tamanho específico de partículas. Para uma limpeza mais refinada do

ambiente pode ser necessária à coleta de partículas de diâmetros inferiores ao simulado

neste trabalho, sendo necessárias maiores velocidades de entrada ou até mesmo a

associação de ciclones com dimensões diferentes, que trabalhariam em conjunto,

proporcionando um melhor grau de filtragem do ar.

52

Capítulo 4 – Sistema de Controle


Nos capítulos apresentados até o momento foram discutidos diversos aspectos

relacionados à concepção de um robô móvel para a atividade de aspiração de pó.

Inicialmente foram introduzidos conceitos relativos à movimentação do robô no

ambiente, sendo discutidos os possíveis métodos de movimentação e os arranjos de

rodas para o robô. Em seguida foi introduzido o estudo dos sistemas de aspiração, bem

como as razões para a escolha do separador ciclônico como método de aspiração.

Todos os pontos já estudados levam ao próximo passo do projeto: o sistema de

controle. Tal sistema é fundamental para acionar e controlar os diversos atuadores,

como os motores para movimentação no ambiente ou a bomba de vácuo para aspiração

do pó. Realizar a tarefa de integração entre atuadores, sensores, e os sistemas de

locomoção e aspiração é responsabilidade do sistema de controle robótico.

Os robôs podem ser classificados quanto ao seu sistema de controle de acordo

com os seguintes aspectos (JACEE, 2012):

Robôs de sequência fixa: possuem movimentos simples e repetidos,

funcionando independente das condições do ambiente.

Robôs de repetição com controle ponto a ponto: os controles de atuação são

referenciados a cada ponto. Durante a repetição, o robô é controlado para mover-se de

um ponto para outro na sequência adequada.

Robôs de repetição com controle de trajetória contínua: os pontos individuais

são definidos pela unidade de controle e não pelo programador.

Robôs inteligentes: possuem capacidade apenas de repetir um ciclo de

movimento programado, mas também interagir com seu ambiente de modo a parecer

inteligente.

Para mais detalhes sobre sistemas de controle e sua aplicação em robôs móveis

são recomendas as seguintes referências: CRAIG (2004), e OGATA (2003).

Neste capítulo será feita uma introdução do sistema de controle baseado em

Arduino e as razões para a sua seleção como sistema de controle do robô móvel.

53

4.2 – Arduino

Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica, fabricado pela companhia

italiana Smart Projects, criado com o objetivo de permitir o desenvolvimento de

controle de sistemas interativos, de baixo custo e acessível a todos. Além disso, todo

material (software, bibliotecas, hardware) é open-source, ou seja, pode ser reproduzido

e usado por todos sem a necessidade de pagamento de direitos autorais.

O Arduino é um sistema que possui uma vasta biblioteca de funções que permite a

possibilidade de ampliação, e facilita bastante o trabalho de programação dos

componentes do circuito ligado a ele. O fácil acesso a materiais de apoio, atrelado ao

seu baixo custo e possuindo desempenho suficiente para controlar os sistemas

idealizados para o robô, foram os fatores que influenciaram na escolha da plataforma

Arduino como o método de controle a ser utilizado.

Antes de apresentar as ligações do Arduino aos atuadores do robô é importante

fazer uma introdução dos componentes existentes no sistema. Sua plataforma é

composta essencialmente de duas partes: o hardware e o software.

4.2.1 – Hardware

O hardware do Arduino é bastante simples, porém muito eficiente. Sua arquitetura

de funcionamento pode ser vista na Figura 4.1.

Figura 4.1 – Arquitetura do Arduino. Fonte: JACEE (2012).

http://www.smartprojects.it/

54

A seguir serão apresentados os blocos que compõem o hardware do Arduino, que

são ilustrados na Figura 4.2.

Figura 4.2 – Blocos do Arduino. Fonte: JACEE (2012).

Fonte de alimentação: responsável por receber a energia de alimentação

externa, que pode ter uma tensão de no mínimo 7 Volts e no máximo 35 Volts, e uma

corrente mínima de 300 mA. A fonte filtra e depois regula a tensão de entrada para duas

saídas: 5 Volts e 3,3 Volts. O requisito deste bloco é entregar as tensões de 5 e 3,3 Volts

para que a CPU e os demais circuitos funcionem.

Núcleo CPU: o núcleo de processamento de uma placa Arduino é um

microcontrolador, uma CPU, com memória RAM, memória de programa (ROM), uma

unidade de processamento de aritmética e os dispositivos de entrada e saída. Tudo isso

em um chip só, o qual possui todo hardware para obter dados externos, processar esses

dados e devolver para o mundo externo. Os microcontroladores utilizados são da linha

ATMega, da empresa ATMEL, sendo mais comuns as placas com os chips ATMega8,

ATMega162 e ATMega328p. Esses modelos diferem na quantidade de memória de

programa (ROM) e na configuração dos módulos de entrada e saída disponíveis.

Entradas e saídas: basicamente toda eletrônica ativa está dentro do chip

microcontrolador. Para entender o que seria essa eletrônica, será considerado o chip

mais simples usado no Arduino: o ATMega8. Esse chip possui 28 pinos de conexões

elétricas, 14 de cada lado, e através desses pinos é possível acessar as funções do

microcontrolador, enviar dados para dentro de sua memória e acionar dispositivos

55

externos. No Arduino, os 28 pinos deste microcontrolador são divididos da seguinte

maneira: 14 pinos digitais de entrada ou saída (programáveis), 6 pinos de entrada

analógica ou entrada/saída digital (programáveis), 5 pinos de alimentação (gnd, 5V, ref

analógica), 1 pino de reset e 2 pinos para conectar o cristal oscilador.

Os dois primeiros itens da lista são os pinos úteis, disponíveis para o usuário

utilizar. Através destes pinos que o Arduino é acoplado à eletrônica externa. Entre os 14

pinos de entrada/saída digitais existem 2 pinos que correspondem ao módulo de

comunicação serial USART. Esse módulo permite comunicação entre um computador,

por exemplo, e o chip.

Todos os pinos digitais e os analógicos possuem mais de uma função. Os pinos

podem ser de entrada ou de saída, alguns podem servir para leituras analógicas e

também como entrada digital. As funções são escolhidas pelo programador, quando

escreve um programa para a sua placa. Na placa do Arduino, os pinos úteis do

microcontrolador são expostos ao usuário através de conectores fêmeas, onde podem ser

encaixados conectores para construir o circuito externo à placa do Arduino.

Entradas digitais: no total o Arduino possui 20 pinos que podem ser

utilizados como entradas digitais. Os 14 pinos digitais, mais os 6 pinos analógicos,

podem ser programados para serem entradas digitais. Quando um pino é programado

para funcionar como entrada digital, através do programa escrito coloca-se um comando

que ao ser executado efetua a "leitura" da tensão aplicada ao pino que está sendo lido.

Então, após a execução deste comando, sabe-se se o pino encontra-se em um estado

"alto" ou "baixo".

Na prática, o programa pode saber se um pino está alimentado com 0 (zero) ou 5

Volts. Essa função é utilizada geralmente para identificar se um botão está pressionado,

ou um sensor está "sentindo" alguma coisa no mundo externo. Note que a função de

entrada digital apenas entrega 0 ou 1, sem tensão ou com tensão. Não é possível saber

quanta tensão está sendo aplicada no pino. Para isso usam-se as entradas analógicas.

Entradas analógicas: o Arduino possui 6 entradas analógicas. Ao contrário de

uma entrada digital, que informa apenas se existe ou não uma tensão aplicada em seu

pino, a entrada analógica é capaz de medir a tensão aplicada. Através da entrada

analógica é possível utilizar sensores que convertem alguma grandeza física em um

valor de tensão, que depois é lido pela entrada analógica.

Saídas digitais: com uma saída digital é possível fazer com que um pino libere

0 ou 5 Volts. Com um pino programado como saída digital pode-se acender um led,

56

ligar um relé, acionar um motor, dentre diversas outras operações. O Arduino possui

capacidade de programação para no máximo 20 saídas digitais, porém é possível utilizar

um ou mais pinos para controlar um bloco de pinos.

Pinos com funções especiais: existem pinos do Arduino que possuem

características especiais, que podem ser usadas efetuando-se as configurações

adequadas através da programação. São eles:

PWM: tratado como saída analógica, na verdade é uma saída digital que gera um

sinal alternado (0 e 1), onde o tempo que o pino fica em nível 1 (ligado) é controlado. É

usado para controlar velocidade de motores, ou gerar tensões com valores controlados

pelo programa. Podem-se utilizar os pinos 3, 5, 6, 9, 10 e 11.

Porta serial USART: um pino pode ser usado para transmitir, e outro para receber,

dados no formato serial assíncrono (USART), além de conectar um módulo de

transmissão de dados via bluetooth, por exemplo, e fazer comunicações com o Arduino

remotamente. São usados os pinos 0 (rx recebe dados) e pino 1 (tx envia dados).

Comparador analógico: é possível usar dois pinos para comparar duas tensões

externas, sem precisar fazer um programa que leia essas tensões e as compare. Essa é

uma forma muito rápida de comparar tensões e é feita pelo hardware sem envolver

programação, através do pinos 6 e 7.

Interrupção externa: pode-se programar um pino para avisar o software sobre

alguma mudança em seu estado. Ligando um botão a esse pino, por exemplo, cada vez

que alguém pressiona esse botão, o programa rodando na placa é desviado para um

bloco escolhido. Usado para detectar eventos externos à placa através dos pinos 2 e 3.

Porta SPI: é um padrão de comunicação serial síncrono, bem mais rápido que a

USART. É nessa porta que se conectam cartões de memória (SD), dentre outros. São

usados os pinos 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) e 13 (SCK).

Firmware: é simplesmente um software que é carregado dentro da memória

do microcontrolador. Tecnicamente, o firmware é a combinação de uma memória ROM,

somente para leitura, e um programa que fica gravado neste tipo de memória, e esse é o

caso do microcontrolador que a placa Arduino utiliza.

4.2.2 – Software

O software da plataforma Arduino, Figura 4.3, está relacionado tanto ao ambiente

de desenvolvimento integrado do Arduino, como ao software desenvolvido para enviar

57

informações para a placa. O ambiente de desenvolvimento do Arduino é o gcc (C e

C++) que usa uma interface gráfica construída em Java. Basicamente se resume a um

programa IDE simples de se utilizar e de se estender com bibliotecas. As funções da

IDE do Arduino são basicamente duas: permitir o desenvolvimento de um software e

enviá-lo à placa para que possa ser executado.

Figura 4.3 – Interface do software do Arduino.

O programa para o Arduino é dividido em duas partes principais: setup e loop. A

função setup serve para inicialização da placa e do programa. Esta sessão é executada

uma vez quando a placa é ligada ou resetada através do botão. A função loop é como se

fosse a main (principal) da placa. O programa escrito dentro da função loop é executado

indefinidamente, ou seja, ao terminar a execução da última linha desta função, o

programa inicia novamente a partir da primeira linha da função loop e continua a

executar até que a placa seja desligada ou o botão de reset seja pressionado.

58


Neste capítulo foram apresentados os papéis desempenhados pelo sistema de

controle na integração do funcionamento de um mecanismo robótico. Em seguida foi

feita uma breve descrição do funcionamento da plataforma Arduino, bem como as

razões para a escolha do mesmo como plataforma de controle a ser aplicada no projeto.

Foram apresentados os principais componentes do Arduino, bem como o

programa que o acompanha e seu princípio de funcionamento. O Arduino é uma

plataforma bastante eficiente, que proporciona uma grande flexibilidade de utilizações e

de acoplamento de acessórios, além de possuir uma vasta biblioteca de recursos, que

facilita o trabalho de programação e integração de sistemas.

No capítulo 6 deste trabalho será dada continuidade à discussão das ligações dos

acessórios de sensoriamento e atuadores ao sistema Arduino, com a apresentação de

esquemas de ligação e cabeamento.

59

Capítulo 5 – Definição de Sensores e

Atuadores


Os robôs móveis autônomos têm como característica fundamental a capacidade de

se locomoverem e realizarem suas tarefas no ambiente de atuação sem que haja a

interferência externa. Isto só é possível graças à instrumentação de sensores de

presença, que tem a responsabilidade de detectar a presença de um obstáculo que se

coloque no meio da trajetória do robô e enviar esta informação ao sistema de controle,

que interpreta e aciona os atuadores, que impõem movimento às rodas e ligação do

sistema de aspiração.

Esta importância para o bom funcionamento do mecanismo faz com que uma

definição apropriada do sistema sensorial e atuadores do robô seja tratada com bastante

cuidado. Dessa forma, neste capítulo serão discutidos os princípios de funcionamento

dos sensores de presença mais presentes no mercado, bem como o processo de seleção

dos atuadores a serem utilizados no robô.

5.2 – Sensores de Presença

Os sensores, em geral, podem ser classificados como ativos ou passivos. Os

sensores ativos exigem a presença de uma fonte externa de energia para que possa

funcionar, o chamado sinal de excitação. Os passivos, em contrapartida não precisam de

fontes adicionais para que possam gerar um sinal de resposta à presença de objetos

(FRADEN, 2004). A seguir serão apresentados os principais tipos de sensores de

presença, a saber: chaves de fim-de-curso, sensores capacitivos, indutivos, ultrassônicos

e óticos.

5.2.1 – Chaves de Fim-de-Curso

As chaves de fim-de-curso são sensores ativos, que detectam a presença de um

obstáculo através do toque. Em geral, possuem um eixo em sua ponta que é livre para se

60

movimentar; no momento em que o sensor toca algum objeto este eixo se move gerando

um contato em seu circuito interno, que emite o sinal da presença do objeto, Figura 5.1.

Figura 5.1 – Chaves de Fim-de-curso. Fonte: Siemens,

http://www.industry.siemens.com.br

Para o bom funcionamento das chaves é necessário se tomar cuidado na instalação

da mesma no corpo robótico, para que não haja algum empecilho ao deslocamento do

eixo responsável pela detecção do objeto.

5.2.2 – Sensores Capacitivos

Os sensores capacitivos são sensores ativos que funcionam gerando um campo

eletrostático e que é alterado pela presença de um obstáculo, sendo esse o princípio de

funcionamento para a detecção de objetos. O sensor capacitivo é composto de uma

ponta capacitiva, um oscilador e circuitos de filtragem e de saída, Figura 5.2.

Figura 5.2 – Sensor capacitivo. Fonte: OMRON Robótica,

http://industrial.omron.com.br

61

Na ausência de objetos, o oscilador fica inativo; quando um objeto se aproxima,

ocorre um aumento da capacitância do circuito da ponta. Quando esta capacitância

atinge um determinado valor, o oscilador é ativado, e em seguida o circuito de saída

emite o sinal da detecção do objeto. Quanto maior for o objeto a ser detectado, maior

será o aumento da capacitância, assim como a aproximação do objeto aumenta a

capacitância. Os sensores capacitivos podem possuir uma blindagem que intensifica o

campo eletrostático gerado, com isso melhora-se a sensibilidade do mesmo.

5.2.3 – Sensores Indutivos

Os sensores indutivos são sensores ativos compostos por um núcleo de ferrite

envolvido por uma bobina, um oscilador e circuitos de disparo de comando e saída. O

oscilador alimenta a bobina com uma determinada frequência, que tem uma corrente

alternada que circula pela mesma. Esta corrente gera um campo eletromagnético, e uma

vez que um objeto metálico se aproxima, ocorre uma indução de correntes de fuga.

Estas correntes geram um fluxo magnético que torna o campo existente mais fraco, e

essa redução no campo eletromagnético é percebida pelo circuito de disparo, ocorrendo

um chaveamento do circuito de saída.

Os sensores podem ser blindados ou não-blindados, Figura 5.3. Um sensor

blindado possui um campo magnético concentrado na parte frontal dos sensores, fato

que não ocorre no sensor não-blindado. Em aplicações em superfícies metálicas é

necessário o uso do sensor blindado, para evitar que a própria superfície de aplicação

seja detectada como um obstáculo ao movimento.

Figura 5.3 – Sensores indutivos blindados e não-blindados.

62

5.2.4 – Sensores Ultrassônicos

Os sensores ultrassônicos, Figura 5.4, funcionam a partir da geração de ondas

ultrassônicas, não perceptíveis à audição humana. Esta oscilação é gerada por um

transdutor, em geral, piezoelétrico, que converte energia elétrica em energia mecânica.

Figura 5.4 – Sensor ultrassônico HC-SR04. Fonte: http://meetarduino.wordpress.com

As ondas sonoras geradas pelo sensor são propagadas no ambiente, e ao encontrar

um objeto, estas ondas são refletidas de volta para o sensor que detecta este retorno,

Figura 5.5. Uma grande característica do sensor ultrassônico é o fato de que seu

princípio de funcionamento permite que, facilmente, se calcule a distância do objeto em

relação ao emissor.

Figura 5.5 – Emissão e retorno de disco piezoelétrico.

Os sensores ultrassônicos são sensores ativos de presença, e apresentam a

vantagem de além de possibilitar a medição da distância do objeto, permitir o cálculo da

distância de aproximação, e também determinar uma distância mínima e/ou máxima

63

para a qual deve haver a detecção. Além disso, proporcionam a detecção de objetos

pequenos a distâncias relativamente grandes, e possuem resistência a distúrbios

ambientais, como ruídos e vibrações.

É possível encontrar os seguintes métodos de detecção nos sensores ultrassônicos:

Difuso: a onda sonora se choca com o alvo e é refletida de volta ao sensor. Esta

onda é percebida e o sensor emite o sinal de saída.

Reflexivo: utilizando objetos de fundo como refletores das ondas sonoras, esta

forma de detecção se baseia na emissão constante de ondas que são refletidas, e, no

momento que um objeto se aproxima, o feixe é interrompido e ocorre a detecção.

5.2.5 – Sensores Óticos

Os sensores óticos, Figura 5.6, representam mais um tipo bastante utilizado se

sensores ativos. Eles podem ser utilizados para detecção de distâncias longas sem sofrer

interferências de campos magnéticos ou interferências eletrostáticas. Esse tipo de sensor

é composto por três componentes principais: uma fonte luminosa, um fotodetector, e

dispositivos de orientação para a luz.

Figura 5.6 – Sensor ótico TCRT5000. Fonte: Vishay Semiconductors,

http://www.vishay.com/docs/83760/tcrt5000.pdf

Como princípio de detecção, o sensor emite uma luz polarizada, que incide sobre

o objeto e é refletida de volta. Este tipo de sensor é utilizado em aplicações onde o feixe

luminoso não é interrompido, como no caso da detecção de objetos transparentes.

64

5.3 – Fatores para Escolha dos Sensores

Nessa seção serão apresentados os principais fatores que influenciam na escolha

dos sensores para o projeto do robô

5.3.1 - Tipo de Material a ser Detectado

Para a seleção do tipo de sensor a ser utilizado é importante saber qual material

terá de ser detectado. Alguns sensores detectam apenas materiais metálicos, outros têm

dificuldades em detectar materiais transparentes, ou então têm dificuldades para detectar

objetos reflexivos. Por isso é importante fazer uma avaliação dos objetos presentes no

ambiente de trabalho do robô, para minimizar a possibilidade de ocorrerem situações

onde objetos não sejam detectados.

5.3.2 – Distância Sensora

A distância sensora é outro fator importante na seleção de sensores. Define-se

como distância sensora nominal a distância máxima teórica no qual o objeto pode ser

detectado pelo sensor. Para sensores indutivos e capacitivos, a distância sensora é

determinada através de um alvo padrão e não leva em consideração desvios causados

por condições operacionais, como a temperatura.

5.3.3 – Histerese

Para sensores de presença, a histerese é um fator desejável, que auxilia no

funcionamento do mesmo. Também conhecida como curso diferencial, a histerese é a

distância entre os pontos de ativação e desativação de um sensor de proximidade, e é

necessária para evitar a oscilação da saída do sensor, quando estiver submetido a

vibrações ou choques.

5.3.4 – Fatores Ambientais e Condições de Instalação

O ambiente de trabalho do robô é um fator fundamental na seleção de um sensor

de presença. O grau de poluição ou empoeiramento do ambiente pode impossibilitar,

65

por exemplo, a utilização de sensores fotoelétricos, devido à dispersão da luz causada

pela poeira.

Em geral, sensores submetidos a condições muito adversas de operação, como

altas temperaturas e umidade, podem receber uma proteção para garantir o seu bom

funcionamento.

Os fatores de temperatura são muito importantes para o desempenho do sensor. A

faixa de temperatura de funcionamento do sensor é o intervalo de temperaturas de

trabalho onde a medição do sensor permanece confiável. Esta faixa é, geralmente,

fornecida pelo fabricante do sensor. É recomendado que considerações especiais quanto

à temperatura sejam feitas quando da utilização de sensores em ambientes com

temperatura acima de 70ºC.

5.3.5 – Objetivo de Detecção

Compreender o objetivo de detecção é fundamental para tomar a decisão de qual

tipo de sensor será utilizado. Os sensores podem ser utilizados com finalidade de

detecção, contagem, medição de distâncias, sendo fundamental entender o objetivo de

aplicação para definir qual tecnologia de detecção será utilizada.

5.4 – Atuadores

A principal função da montagem de um sistema de controle é a integração dos

sistemas contidos no robô, para que funcionem em conjunto, sem que um interfira na

atuação do outro. No caso do robô aspirador de pó é necessário que o sistema de

controle receba as informações captadas pelos sensores de presença, interprete os dados

e envie o comando aos motores ligados às rodas tracionadas, que serão responsáveis

pela movimentação do robô. Tudo isso ocorre em paralelo ao acionamento do sistema

de aspiração, que tem o funcionamento de seu motor comandado também pelo sistema

de controle. Dessa forma, é fundamental definir adequadamente os atuadores a serem

utilizados no robô.

Nas próximas seções serão apresentados os atuadores escolhidos para o robô, bem

como as suas ligações ao sistema, já considerando as adaptações a serem feitas para o

funcionamento.

66

5.4.1 - Motores de Passo

No capítulo 2 foi feita a apresentação do mecanismo de locomoção escolhido para

o robô. Naquele momento foi mostrada a linha de raciocínio que levou a escolha dos

tipos de rodas e localizações no chassi do robô. Em seguida foi desenvolvido um estudo

cinemático da movimentação do robô.

A equação (2.10) evidencia o fato de que na situação em que as duas rodas

tracionadas giram com velocidades iguais, mas em sentidos opostos, o robô sofre uma

rotação em torno do centro do seu chassi. Esta situação será a base para a escolha dos

atuadores das rodas. Para que este objetivo seja atingido, foi idealizada a ligação de dois

motores de passo independentes nas rodas tracionadas, como será visto mais adiante.

5.4.1.1 – Definição

Os motores de passo são dispositivos eletromecânicos que convertem pulsos

elétricos em movimentos mecânicos, que geram variações angulares discretas. O rotor

ou eixo de um motor de passo é rotacionado em pequenos incrementos angulares,

denominados “passos”, quando pulsos elétricos são aplicados em uma determinada

sequência nos terminais deste.

Figura 5.7 – Tipos de motores de passo.

67

A rotação de tais motores é diretamente relacionada aos impulsos elétricos que

são recebidos, bem como a sequência a qual tais pulsos são aplicados reflete

diretamente na direção a qual o motor gira, Figura 5.7. A velocidade que o rotor gira é

dada pela frequência de pulsos recebidos, e o tamanho do ângulo rotacionado é

diretamente relacionado com o número de pulsos aplicados.

Um motor de passo pode ser uma boa escolha sempre que movimentos precisos

são necessários. Eles podem ser usados em aplicações onde é necessário controlar

vários fatores, tais como: ângulo de rotação, velocidade, posição e sincronismo. O ponto

forte de um motor de passo não é a sua força (torque), tampouco sua capacidade de

desenvolver altas velocidades, ao contrário da maioria dos outros motores elétricos, mas

sim a possibilidade de controlar seus movimentos de forma precisa. Por conta disso,

este é amplamente usado em impressoras, scanners, robôs, câmeras de vídeo,

brinquedos, automação industrial, entre outros dispositivos eletrônicos que requerem

precisão.

Para aplicação ao projeto foi escolhido o motor de passo KTC-HT23-397, do

fabricante nacional Kalatec, Figura 5.8, que desenvolve um torque estático mínimo de

1.25 N.m, e inércia de 300 g.cm².

Figura 5.8 – Motor de passo. Fonte: Kalatec Automação, http://www.kalatec.com.br

5.4.2 – Motor Elétrico Aspirador de Pó

Para possibilitar o funcionamento do sistema de aspiração é necessária a

instalação de um motor elétrico. Nessa seção serão apresentados alguns detalhes sobre

esse tipo de motor e sua escolha para o projeto do robô.

68

5.4.2.1 - Definição

Os motores aspiradores de pó são motores elétricos de corrente contínua, com o

seguinte princípio de funcionamento: trata-se de um rotor tocado por energia elétrica,

acoplado a um ventilador (ou turbina). O rotor recebe a energia e gira, fazendo com que

o ventilador, acoplado a ele, gire de forma solidária ao rotor. Este giro do ventilador

gera uma queda de pressão em um dos lados, que faz com que o ar escoe no sentido da

queda de pressão. No caso dos aspiradores, a entrada de ar do motor é ligada a um duto

que, devido à sucção ocasionada pela diferença de pressão, faz a coleta do ar com a

poeira dispersa. No caso do sistema ciclônico, o princípio é o mesmo: o duto é

conectado na parte superior do ciclone, assim impondo o fluxo de ar para dentro do

mecanismo.

O processo de seleção do motor a ser utilizado no robô se baseou na utilização no

mercado. Por isso, foi escolhido o motor modelo TF1S, da fabricante Electrolux, Figura

5.9, de 950W e 110V. O motor escolhido é amplamente utilizado pelo fabricante em

diversos modelos de aspiradores produzidos. Como o motor funciona a 110V, será

necessária a utilização de um transformador para aumentar a voltagem de 5.5V,

fornecida pelo Arduino.

Figura 5.9 – Motor elétrico para aspiradores. Fonte: Electrolux,

http://www.electrolux.com.br

69


Neste capítulo foram apresentados os principais tipos de sensores de presença

utilizados no mercado, seja para o campo da robótica móvel, ou para outras aplicações

de origens diversas. Foi feita uma descrição dos princípios de funcionamento de cada

um dos tipos de sensores apresentados, com foco na compreensão do mecanismo de

detecção, bem como as limitações e vantagens da utilização de cada sensor.

Em seguida, foi feita uma apresentação dos fatores que devem ser considerados

quando se faz uma seleção de sensores. Foi possível observar que fatores como:

material do objeto a ser detectado, distância de detecção, velocidade de movimentação

do robô, e temperatura de operação, são fatores fundamentais para escolha. Sensores

indutivos, por exemplo, não têm a capacidade de detectar objetos não-metálicos, fato

que inviabiliza a utilização do mesmo para o robô proposto neste trabalho.

Um fator que, particularmente, merece atenção especial é o objetivo de medição.

Na robótica móvel, a medição não se limita apenas a notar ou não a presença de um

obstáculo ao movimento. Medir a distância do objeto, a velocidade de aproximação ou

ter a possibilidade de programar uma faixa de distâncias que ativam o sinal de saída do

sensor são fatores bastante desejáveis. As chaves de fim-de-curso, por exemplo, foram

descartadas nesse projeto por necessitarem do contato para que haja a sua ativação, e

quando se trabalha em ambiente doméstico, o contato do robô com o obstáculo pode

causar a queda de objetos, como vasos de vidro, fato que é indesejável.

Tomando como referência todos os conceitos e princípios de funcionamento

apresentados neste capítulo, chegou-se à conclusão de que a melhor escolha para o robô

é a utilização de sensores ultrassônicos, pois permitem uma programação de critérios de

distância para o objeto, além de conseguir perceber a presença de objetos com uma

maior margem de materiais. Outro importante fator é a pouca influência de fatores

ambientais como poeira, na precisão de medição.

Por fim, foi feito um estudo da função dos atuadores no funcionamento dos

sistemas robóticos. No caso específico deste trabalho, os atuadores são responsáveis por

fornecer movimento às rodas, que direcionam a locomoção do robô, e também têm

papel ativo no funcionamento do sistema de aspiração. Foram apresentados os

processos de escolha para os dois tipos de atuadores presentes no projeto, bem como as

suas respectivas especificações do fabricante.

70

No capítulo 6 será apresentado, em detalhes, a localização dos sensores e

atuadores no chassi do robô, assim como suas fixações à estrutura e ligação aos demais

componentes elétricos e mecânicos.

71

Capítulo 6 – Protótipo


Ao longo dos capítulos 1, 2, 3, 4 e 5 foi construída uma base de conceitos

referentes a diversos aspectos do projeto de um robô móvel para a automação de

atividades domésticas, mas especificamente, a limpeza de ambientes. Foram

apresentados os processos de análise e seleção dos diversos sistemas que compõem o

robô autônomo aspirador de pó.

Como forma de conclusão do escopo deste trabalho, esse capítulo 6 trará uma

discussão em torno da construção de um protótipo que contemple as estruturas

previamente apresentadas. Como auxílio à idealização da montagem, foi utilizado o

software Solidworks 2014, onde foram feitos os desenhos que serão aqui apresentados.

Ao final do trabalho será incluída uma documentação gráfica do projeto, apresentando

os desenhos de componentes a serem fabricados e o conjunto mecânico, representando a

montagem do robô.

A seguir serão apresentados aspectos relativos à montagem dos atuadores e

fixação das rodas, assim como as dimensões e o material escolhido para as mesmas.

Também será mostrada a fixação do sistema de aspiração no chassi do robô, juntamente

com o esquema de dutos que fazem a ligação com o motor e com o bocal de sucção.

Depois será mostrada a fixação do sistema de controle ao chassi do robô, e por fim será

apresentada uma visão geral do sistema completo montado.

6.2 - Sistema de Locomoção

No capítulo 2 foi apresentada a definição do sistema de locomoção do robô, em

particular os tipos de rodas e localização no chassi. Recapitulando a discussão

apresentada, após a análise dos diversos sistemas presentes no mercado, foi escolhido o

sistema da Tabela 6.1.

Dessa forma, a seguir serão apresentados aspectos referentes à montagem do

sistema de locomoção no chassi do robô.

72

Tabela 6.1 – Escolha do arranjo de rodas.

6.2.1 - Dimensões e Materiais

O arranjo de rodas selecionado é composto de duas rodas padrão fixas e

tracionadas, além de uma roda castor livre.

A roda é composta por um aro fabricado em polímero e um pneu de borracha. Na

Figura 6.1a é mostrado o aro da roda padrão fixa dimensionada para o protótipo. O

material polimérico poliuretano foi escolhido por ser um material leve e que facilita a

usinagem dos detalhes presentes no aro, além de ser frequentemente utilizado no

mercado na fabricação de rodas. A roda escolhida tem um diâmetro externo de 126 mm

e um furo de diâmetro 6,3 mm, com uma excentricidade para a entrada do eixo do motor

de passo. A espessura máxima da roda é de 15 mm.

Figura 6.1 – Roda padrão: (a) aro, (b) pneu.

73

A Figura 6.1b mostra o pneu desenhado para as rodas padrão. O pneu é

completamente feito de borracha e tem a função de aumentar a aderência com o solo e

evitar a derrapagem do robô.

A roda castor é fabricada no mesmo material da roda padrão, com duas

diferenças: por ter uma função de apoio não é necessário o uso de pneu, e a roda castor

possui também uma estrutura metálica, para ser fixada no chassi do robô, como mostra

a Figura 6.2.

Figura 6.2 – Modelagem da roda castor.

6.2.2 - Montagem do Atuador

O atuador escolhido é fabricado pela Kalatec, uma fabricante nacional de

componentes para a automação robótica e industrial. Para produzir o desenho foram

levadas em consideração as dimensões encontradas no catálogo do próprio fabricante,

Figura 6.3.

O motor de passo é montado em um ajuste por interferência no furo passante da

roda, para garantir que não haverá escorregamento entre o eixo de rotação do motor e a

superfície do furo do aro, como mostram as Figuras 6.4 e 6.5.

74

Figura 6.3 – Dimensões do motor de passo. Fonte: Kalatec Automação,

http://www.kalatec.com.br

Figura 6.4 – Montagem do motor de passo a roda padrão.

75

Figura 6.5 – Detalhe do ajuste por interferência do eixo do motor ao furo do aro.

6.2.3 - Fixação no Chassi

O motor de passo selecionado possui um flange com quatro furos passantes. Logo,

a fixação à estrutura do chassi do robô se dará através do uso de cantoneiras metálicas

presas nos furos de fixação do motor e no chassi da máquina, por parafusos de diâmetro

nomimal igual a 5 mm, conforme a Figura 6.6.

Figura 6.6 – Fixação do motor de passo no chassi do robô.

76

Já a roda castor é fixada no chassi por parafusos pequenos de diâmetro 3 mm,

presos a flange que já vem acoplada a sua estrutura de suporte, como apresentado na

Figura 6.7.

Figura 6.7 – Fixação da roda castor no chassi do robô.

6.3 – Sistema de Aspiração

No capítulo 3 foi apresentado o princípio de funcionamento do sistema de

aspiração ciclônico, que consiste de um separador ciclone acoplado a um motor elétrico,

ligados por dutos responsáveis pelo escoamento do ar. A seguir serão detalhadas as

principais dimensões dos componentes desse sistema, bem como sua montagem na

estrutura do robô.


Pode-se dividir o sistema de aspiração escolhido em cinco grupos de

componentes. Cada um destes componentes será apresentado na sequência, e para mais

detalhes verifique a documentação gráfica em anexo.

Ciclone: conforme mencionado do capítulo 3, o modelo de ciclone escolhido para

o projeto é o de proporções propostas por Stairmand HE. Tendo como medida de

entrada o diâmetro principal do sistema chega-se as dimensões principais do mesmo. A

Figura 6.8 mostra as dimensões obtidas para o ciclone a partir de um diâmetro principal

de 70 mm.

77

Figura 6.8 – Dimensões obtidas para o ciclone.

A estrutura do ciclone é inteiramente fabricada em plástico, o que faz com que o

sistema seja muito leve, contribuindo para uma estrutura final mais robusta no robô.

Dutos de passagem de ar: são responsáveis pelo escoamento do ar succionado

para dentro da estrutura de robô e são feitos de plástico sanfonado, Figura 6.9, para

facilitar o manuseio e o encaixe no sistema. Tanto o duto de sucção como o que liga o

ciclone ao robô tem comprimento esticado de 200 mm.

Figura 6.9 - Dutos de ar: (a) seção retangular - sucção, (b) seção circular - bomba.

Bc/Dc 0,2 Bc 14

Hc/Dc 0,5 Hc 35

Do/Dc 0,5 Do 35

Du/Dc 0,375 Du 26,25

l/Dc 0,5 l 35

L1/Dc 1,5 L1 105

L/Dc 4 L 280

Proporções Stairmand HE Dimensões do Trabalho (mm)

78

Bocal de sução: é responsável por tornar a coleta de ar sujo mais eficiente,

estando localizado na frente do chassi do robô e diretamente conectado ao duto de

sucção. A Figura 6.10 mostra a modelagem do componente.

Figura 6.10 – Bocal de sucção.

Coletor de poeira: é responsável por armazenar a poeira que sai no underflow do

separador ciclônico. É feito do mesmo material plástico do sistema ciclônico e do bocal

de sucção. A Figura 6.11 mostra a modelagem do coletor.

Figura 6.11 – Coletor de poeira.

Bomba de sucção: a bomba selecionada é produzida pela Electrolux e aplicada

em diversos modelos comerciais do fabricante. Sua estrutura é composta de alumínio e

alguns componentes plásticos, com peso total de aproximadamente 1,2 Kg. A Figura

6.12 mostra a modelagem da bomba e seus apoios.

79

Figura 6.12 – Modelagem da bomba Electrolux.

6.3.2 - Montagem dos Dutos

Os dutos sanfonados precisam ser montados de forma que não haja o risco de se

desprenderem das fixações, evitando o risco de entrada das impurezas que possam

danificar os componentes eletroeletrônicos do robô. O sistema de aspiração é composto

de dois dutos, conforme mencionado na seção 6.3.1. O duto de seção quadrada, que liga

o bocal de sucção à entrada do ciclone, e o duto de seção circular, que liga a saída de ar

do ciclone à bomba. Em ambos os casos a fixação é feita com abraçadeiras plásticas,

que são extremamente baratas e de fácil uso, conforme mostra a Figura 6.13. Como o

sistema não sofre grandes esforços e o ar escoa a velocidades baixas, as abraçadeiras

plásticas são suficientes.

Figura 6.13 – Abraçadeiras plásticas.

80


O bom funcionamento do sistema de aspiração depende diretamente de uma

correta fixação dos componentes ao chassi do robô. Uma movimentação indevida de

componentes no interior do mecanismo pode, além de atrapalhar o funcionamento,

danificar os componentes eletrônicos e elétricos contidos no robô.

Para descrever a fixação será necessário fazer uma divisão em dois grupos de

esforços distintos sofridos pelos componentes do sistema. O primeiro grupo abrange o

bocal de sucção e o ciclone em si. Estes dois componentes sofram apenas os esforços

causados pelo escoamento do ar em seu interior. Como visto no capítulo 3, o ar passa

pelas tubulações a velocidades baixas e, portanto, a passagem não gera esforços

grandes. Por este motivo, as fixações no chassi podem ser mais robustas e com foco no

posicionamento.

A fixação do bocal no chassi se dará pela pressão causada pelo ajuste por

interferência entre o bocal e a sua entrada no chassi, conforme observado na Figura

6.14.

Figura 6.14 – Acoplamento bocal-chassi.

A fixação do ciclone no chassi do robô será feita através de duas abraçadeiras de

alumínio presas ao chassi através de parafusos de 5 mm de diâmetro, conforme a Figura

6.15.

81

Figura 6.15 – Fixação do ciclone ao chassi.

O segundo grupo contempla o motor elétrico responsável pela indução do fluxo de

ar para o interior do sistema. O motor funciona com um rotor conectado a uma turbina

que gira e causa a diferença de pressão que origina a movimentação do ar. Neste

momento é importante lembrar que a carcaça do motor sofrerá com esforços

provenientes da inércia da turbina e do rotor, portanto precisa de uma fixação mais

rígida. O motor será fixado por quatro parafusos presos a dois apoios metálicos, que são

os apoios do motor para superfícies planas.

6.4 – Sistema de Controle

O sistema de controle escolhido para a automação do robô foi apresentado no

capítulo 4, e essa escolha foi o Arduino como plataforma de controle. Esta seção

contemplará uma apresentação mais detalhada dos componentes do sistema, e em

seguida serão expostos os esquemas de ligação elétrica e de controle dos componentes.


O sistema de controle é composto de: uma placa Arduino, uma protoboard, bateria

de íons de lítio, sensores e cabos. A seguir serão apresentados detalhes de cada um

destes componentes.

Placa Arduino: é o principal componente do sistema de controle. Nela estão

contidos os pinos de ligação à bateria, sistema de aterramento, ligação à protoboard,

82

dentre outros. A placa tem dimensões de 72 x 53 x 12 mm, com peso de 63 g, tendo as

seguintes especificações:

Voltagem: 5V;

Tensão de entrada (recomendada): 7 ~ 12V;

Tensão de entrada (limites): 6 ~ 20V;

DC corrente por pinos de e/S: 40mA;

DC corrente para pino de 3,3V: 50 mA;

Flash memória 32 KB (ATmega328), dos quais 0,5 KB usados pelo gestor de

arranque;

SRAM: 2 KB (ATmega328);

EEPROM: 1 KB (ATmega328);

Velocidade: 16 MHz.

Protoboard: é ligada ao Arduino para aumentar o número de entradas, com isso

possibilitando a construção de circuitos mais complexos e com maior número de

acessórios, Figura 6.16. A protoboard possui 830 pontos com barras de distribuição

demarcadas e a parte de trás é adesiva, permitindo assim a fixação em superfícies

diversas.

Figura 6.16 – Protoboard.

A protoboard possui as seguintes especificações:

Furos: 830;

Faixa de Temperatura: -20 a 80°C;

83

Para terminais e condutores de 0,3 a 0,8 mm (20 a 29 AWG);

Resistência de Isolamento: 100MΩ min;

Tensão Máxima: 500v AC por minuto;

Dimensões: 165 x 57 x 10mm.

Cabeamento: todas as ligações do circuito são feitas com cabos de pinos, como

os da Figura 6.17. Os cabos têm um comprimento médio de 20 cm e cores diferentes

para facilitar a identificação.

Figura 6.17 – Cabos elétricos.

Sensores: também fazem parte do sistema de controle do robô, por serem

responsáveis por captar informações do ambiente e repassar ao microcontrolador. O

modelo de sensor ultrassônico escolhido foi o HC-SR04. Este módulo possui um

circuito pronto, com emissor e receptor acoplados, e 4 pinos (VCC, Trigger, ECHO,

GND) para medição, tendo as seguintes especificações:

Alimentação: 5V DC;

Corrente de operação: 2mA;

Ângulo de efeito: 15°;

Alcance: 2cm ~ 4m;

Precisão: 3mm.

84

6.4.2 - Montagem e Cabeamento

Nessa seção serão apresentadas as diversas ligações necessárias para montagem e

cabeamento do sistema de controle do robô.

6.4.2.1 - Ligação à Protoboard

Projetos definitivos utilizando Arduino não precisam, na maioria das vezes, de

atualização constante do programa contido no microcontrolador. Depois de testar o

circuito na protoboard e estiver tudo funcionando, é possível transferi-lo para uma placa

de circuito impresso e, com alguns componentes adicionais, fazer com que ele funcione

"sozinho".

Assim elimina-se, por exemplo, a necessidade do circuito regulador de tensão e

também o chip de comunicação USB com o computador. Utilizando o ATMEGA desta

forma, a alimentação do sistema deve ficar entre 1,8 e 5,5 Volts, que são os valores

limites fornecidos pelo fabricante e que constam na base de dados do microcontrolador.

Utilizar o ATMEGA fora da placa é simples e pode-se usar praticamente o mesmo

circuito montado para gravar o programa, com o acréscimo de um push button para

fazer a função de botão de reset, e 2 capacitores cerâmicos para ligação ao cristal.

A Figura 6.18 apresenta um exemplo de ligação da protoboard ao Arduino.

Figura 6.18 – Exemplo de ligação da protoboard ao Arduino.

85

Com o programa carregado e devidamente testado, pode-se então utilizar o

ATMEGA fora do Arduino. Retira-se o microcontrolador, e coloca-o na protoboard, e

monta-se o circuito desejado, observando as conexões do ATMEGA. Alimenta-se o

circuito com pilhas/baterias ou outra fonte que forneça até 5,5 Volts, Figura 6.19, e

retira-se o Arduino e, com isso, o ATMEGA passa a funcionar de forma independente.

Figura 6.19 – Ligação de bateira de íons de lítio ao Arduino.

6.4.2.2 – Ligação Elétrica dos Motores de Passo

A ligação dos motores de passo ao sistema de controle consiste de um

microprocessador (ATmega328P), controlado através de uma placa Arduino, ligado aos

2 motores através de uma ponte H. O motor KTC-HT23-397 trabalha com voltagem de

5,5 V, que é compatível com a faixa do Arduino sem a necessidade de amplificadores.

O uso do circuito integrado L293D como ponte H, Figura 6.20, permite que um

microcontrolador controle um ou dois motores de corrente contínua, permitindo que,

pela inversão do sentido da corrente, os motores girem para um sentido ou para o outro.

O sistema de locomoção inteiro é baseado nesse princípio.

86

Figura 6.20 – CI L293D como ponte H.

6.4.2.3 – Ligação Elétrica do Motor do Aspirador

Ligar um motor DC no Arduino é simples, porém é necessário tomar alguns

cuidados: os pinos digitais do Arduino oferecem no máximo 40 mA, e o giro do rotor do

motor gera uma corrente inversa que pode danificar a plataforma.

Quando se desliga o motor, o rotor não para imediatamente; devido a sua inércia

ele continuará rodando, e neste curto espaço de tempo o motor gera uma corrente

elétrica no sentido inverso do fornecido, o que pode danificar o Arduino.

A forma de resolver o problema é utilizar transistores e diodo. O transistor possui

três pernas: base, coletor e emissor. A base é ligada ao pino digital do Arduino; o

coletor é ligado no terminal do motor; e o emissor na terra. O transistor funciona como

um interruptor, e aplicando tensão na base, a corrente flui entre o emissor e o coletor.

Aplicando uma pequena corrente na base é possível controlar uma corrente maior entre

o emissor e o coletor. Isso resolve o problema da corrente de 40 mA inferior a

demandada no motor DC.

87

Já os diodos são válvulas de sentido único, analogamente às válvulas de retenção

presentes na hidráulica, e sua função é impedir que a corrente contrária retorne e

danifique a plataforma.

Além dos transistores e diodos é necessária a inclusão de um transformador,

responsável por aumentar a voltagem fornecida pela bateria, para 110V, voltagem

necessária para o funcionamento do motor. A Figura 6.21 mostra o esquema da ligação,

sendo que o circuito integrado UNL2803A já possui transistores e diodos incorporados.

Figura 6.21 – Esquema de ligação do motor ao circuito.

6.4.2.4 – Ligação aos Sensores

Conforme o raciocínio apresentado no capitulo 3, para detecção de obstáculos

serão utilizados sensores ultrassônicos. No sistema de percepção serão utilizados quatro

sensores de presença, 3 responsáveis pela detecção de objetos no caminho planejado

pelo robô, e um responsável pela detecção de desníveis.

A integração dos sensores ao sistema de controle é de suma importância para o

funcionamento do robô, de forma que a ligação adequada dos sensores ao Arduino é

fundamental. Um dos motivos pelo qual a plataforma Arduino foi escolhida é sua

grande compatibilidade com diversos acessórios, sendo o sensor ultrassônico um deles.

Cada sensor possui quatro pinos: VCC de alimentação, TRIG de gatilho (comando

de emissão), ECHO pino de eco (comando de retorno) e GND terra. A Figura 6.22

exemplifica a montagem do circuito para cada sensor, utilizando-se a protoboard.

88

Figura 6.22 – Montagem do sensor ultrassônico ao Arduino.

A montagem é feita da seguinte maneira: o pino GND do sensor é ligado ao pino

GND do Arduino; o pino ECHO do sensor é ligado a um pino numérico do Arduino; o

pino TRIG do sensor é ligado a outro pino numérico do Arduino; e por fim, o pino VCC

é ligado ao pino de corrente do sensor.

Após a montagem é necessário carregar o programa de controle dos sensores para

que o sistema funcione. É importante observar que na utilização de mais de um sensor

de presença simultâneos é necessário utilizar uma protoboard extra, conforme mostrado

na Figura 6.23.

Figura 6.23 – Ligação de mais de um sensor ultrassônico.

89


Assim como os outros sistemas apresentados anteriormente, o sistema de controle

também suscita algumas considerações relativas à fixação no chassi do robô. Dentre

todos os sistemas do robô, o controle é o que menos sofre esforços no funcionamento.

Obviamente, o funcionamento próprio do mesmo não produz nenhum esforço em suas

fixações. Portanto, todo o esforço sofrido é relativo à sua própria inércia, com a

contribuição das acelerações e frenagens do sistema de locomoção, porém, os

componentes do controle são extremamente leves e até mesmo esses esforços são bem

pequenos.

A fixação da placa do Arduino é feita por 4 pequenos parafusos de 1mm de

diâmetro, como mostrado na Figura 6.24.

Figura 6.24 – Fixação do Arduino no chassi.

A fixação da protoboard é ainda mais simples, pois o equipamento selecionado já

vem com fitas autoadesivas em sua parte inferior, que são suficientes para fixação.

Os sensores da série escolhida já vêm com espaço para 2 parafusos de mesma

dimensão que os escolhidos para a fixação do Arduino, Figura 6.25.

90

Figura 6.25 – Fixação dos sensores ultrassônicos.

6.5 – Montagem Final

Nas seções anteriores foram apresentadas especificações de cada um dos

principais elementos que compõem os sistemas do robô móvel. Foram exemplificadas

as ligações elétricas entre os componentes e o sistema de controle e, também, as

fixações dos componentes ao chassi do robô.

Nesta seção serão apresentados alguns aspectos relativos à montagem final do

robô, Figura 6.26.

Figura 6.26 – Montagem final do robô.

91

Todos os componentes da máquina são fixados no chassi plástico de poliuretano,

conforme a Figura 6.27, onde foi adicionada uma transparência à tampa do robô,

permitindo assim a visualização interna do chassi com todos os componentes fixados

simultaneamente.

Figura 6.27 – Visualização interna do chassi com os componentes.

6.5.1 – Considerações sobre as Solicitações Mecânicas

Antes de prosseguir com o detalhamento da montagem final do protótipo, é

necessário que se façam algumas considerações sobre as solicitações mecânicas

presentes no protótipo. Em todo projeto mecânico a preocupação com a resistência da

estrutura à solicitação mecânica a qual estará submetida deve ser tratada com bastante

cuidado. Uma negligência em relação a este fator pode ocasionar falhas na estrutura e,

consequentemente, a inutilização do protótipo.

Na estrutura escolhida para a montagem do projeto, os esforços relativos ao peso

dos componentes se concentram nas rodas escolhidas. Conforme foi discutido no

capítulo 2, o arranjo diferencial de rodas é composto por duas rodas padrão tracionadas,

responsáveis não só pela movimentação do robô, mas também pela sustentação do peso

dos componentes. A roda castor tem a função de adicionar um ponto de apoio à

estrutura, para fins de estabilidade do robô. Os conceitos atrelados ao arranjo das rodas,

portanto, permitem fazer a consideração de que o peso da estrutura se concentra nos

apoios das rodas.

92

Antes de avaliar a capacidade de sustentação dos eixos da roda é necessário

apresentar o cálculo do peso total da estrutura, Tabela 6.2. Pode-se observar que o peso

total da estrutura é de aproximadamente 3,7 Kg.

Tabela 6.2 – Cálculo do peso total.

Os esforços são divididos entre os apoios das rodas. Considerando o pior caso, no

qual a roda castor suporta um peso, aproximadamente, nulo. O peso é dividido entre os

apoios das rodas padrão, cada um sendo responsável por suportar 1,85 Kg. Voltando ao

catálogo da Kalatec, observa-se que o eixo dos motores de passo é feito de aço

inoxidável, com diâmetro de 6,3 mm, suportando uma carga radial superior a aplicada.

Portanto, o peso a ser suportado por cada eixo pode ser considerado aceitável, devido à

constituição do eixo, não havendo risco de falha na estrutura.

6.5.2 - Vistas Montadas e Explodida

Uma vez feitas as considerações necessárias em relação à estrutura do robô, pode-

se então apresentar em detalhes a montagem final do protótipo, modelada no

Solidworks, Figuras 6.28, 6.29 e 6.30.

Item Quantidade Peso Unitário (Kg) Peso combinado (Kg)

Roda padrão 2 0,050 0,050 Roda castor 1 0,055 0,055 Motor de passo 2 0,690 1,380

Ciclone 1 0,150 0,150 Duto de passagem 2 0,030 0,060 Bocal 1 0,035 0,035 Coletor 1 0,035 0,035 Motor elétrico 1 1,200 1,200

Arduino 1 0,063 0,063 Protoboard 1 0,070 0,070 Bateria 1 0,300 0,300 Sensor 3 0,020 0,060 Cabos Diversos Desprezível Desprezível

Chassi 1 0,150 0,150 Tampa 1 0,150 0,150 Parafusos e porcas Diversos Desprezível Desprezível

Total 3,698

Sistema de Locomoção

Sistema de Aspiração

Sistema de Controle

Outros componentes

93

6.28 – Vista isométrica da montagem.

Figura 6.29 – Vista frontal da montagem.

Figura 6.30 – Vista inferior da montagem.

94

Para auxiliar a compreensão da disposição dos componentes no chassi do robô

utiliza-se uma vista explodida, Figura 6.31, com todos os componentes presentes na

montagem do protótipo. A Tabela 6.3 apresenta a descrição dos componentes do robô.

Figura 6.31 – Vista explodida do protótipo.

Tabela 6.3 – Descrição dos componentes do robô.

Item Descrição Item Descrição

1 Tampa 13 Porca M3

2 Sensor Ultrassom 14 Parafuso M5

3 Parafuso M2 15 Cantoneira

4 Bomba de Ar 16 Motor de passo

5 Protoboard 17 Porca M5

6 Parafuso M5 18 Placa Arduino

7 Pneu 19 Bocal de sucção

8 Roda Padrão 20 Duto Circular

9 Coletor de poeira 21 Ciclone

10 Chassi 22 Duto Retângular

11 Parafuso M3 23 Abraçadeira de Alumínio

12 Roda Castor

95


Neste capítulo foram apresentados os aspectos relativos à construção de um

protótipo para o robô aspirador de pó concebido ao longo deste trabalho. É importante

ressaltar que todas as modelagens apresentadas foram produzidas com o intuito de

comporem um protótipo para testes, e de fabricação simples e barata. Para o

planejamento de fabricação em série seria necessária à análise de outros aspectos como:

durabilidade, aparatos de fabricação necessários, otimização de medidas para facilitar a

produção, dentre outros.

Foram introduzidas dimensões principais e materiais dos principais componentes

do robô: sistemas de locomoção, aspiração e controle. Em seguida foi exibido um

planejamento das fixações das partes ao chassi do robô, levando-se em consideração as

condições operacionais do protótipo, para evitar falhas no funcionamento.

Depois foi feita a apresentação dos esquemas de ligações elétricas dos atuadores

ao sistema de controle Arduino, apresentando-se adaptações a serem feitas no sistema

para que não ocorram defeitos ou mau funcionamento dos mesmos. Neste momento foi

retomada a escolha dos sensores ultrassônicos apresentados no capítulo 5, para que

fosse criado o esquema de ligação dos sensores ao sistema de controle.

É importante observar que as plantas de ligação elétrica apresentadas neste

capítulo foram idealizadas para o protótipo, de forma a flexibilizar a modificação da

montagem para possíveis correções que se façam necessárias após testes práticos. Para

um cenário de fabricação em série é de extrema importância a fabricação de circuitos

definitivos para cada unidade, eliminando a necessidade do gasto de uma placa Arduino

para cada exemplar.

Apesar de certas considerações adotadas para possibilitar a implementação da

montagem proposta, observa-se que é possível transformar os conceitos idealizados ao

longo deste trabalho em robôs reais e funcionais.

96

Capítulo 7 – Conclusão

7.1 – Conclusões Gerais

Neste trabalho foram apresentados diversos aspectos do projeto de um robô

móvel. Incialmente foi feita uma introdução ao cenário global da automação urbana. A

automação doméstica, ou domótica, vem apresentando um crescimento que salta aos

olhos de todos que acompanham os dados de pesquisas. A Tabela 7.1 mostra a evolução

na adoção de algumas das tecnologias mais consolidadas para casas inteligentes (em

porcentagem nos imóveis residenciais novos) nos Estados Unidos, juntamente com uma

projeção otimista para o percentual de casas contendo tecnologias de domótica em

2015.

Tabela 7.1 – Evolução da domótica. Fonte: NAHB Home Innovation Research Labs,

http://www.homeinnovation.com

O cenário que a Tabela 7.1 evidencia traz nitidez na reflexão de que o mercado da

domótica tem um futuro promissor. O cenário tecnológico atual, com os smartphones,

aplicativos, internet móvel e facilidade de acesso à informação, incita cada vez mais a

inserção de novas necessidades de praticidade e modernização no dia-a-dia.

Paralelamente a este promissor cenário, o Brasil ainda “engatinha” no ramo da robótica

doméstica, e não é comum ver as grandes produtoras de eletrodomésticos anunciando

produtos autônomos ou que apresentem funções que não necessitem da intervenção

humana, suscitando a reflexão dos motivos pelos quais ainda estamos alguns passos

atrás em relação aos países mais desenvolvidos neste aspecto. O estudo realizado neste

projeto esteve voltado a tentar trazer alternativas ao mercado que se desenha no país,

97

procurando gerar tecnologia e mecanismos equiparados àqueles fabricados

internacionalmente, mas com custo-benefício voltado para o mercado nacional.

O projeto do robô móvel aspirador de pó contido neste trabalho foi dividido de

acordo com os sistemas do produto (locomoção, aspiração e controle), e depois foi

realizada a integração dos mesmos. O primeiro sistema estudado foi o sistema de

locomoção, quando foram apresentados os diversos meios de locomoção dos robôs.

Estes sistemas, normalmente, são inspirados em sistemas encontrados na natureza e

adaptados às necessidades do ambiente de atuação das máquinas. Foi escolhido o

sistema de locomoção por rodas em arranjo diferencial, com duas rodas tracionadas, o

qual foi selecionado em comparação com outros sistemas usuais, considerando-se as

vantagens em termos de manobrabilidade, estabilidade e controlabilidade.

Como um dos intuitos do projeto estava ligado à utilização de novas tecnologias, a

escolha do sistema de aspiração foi pautada em apresentar uma alternativa diferente do

comum. Logo, o sistema escolhido foi o separador ciclônico, muito utilizado na

indústria de petróleo (CARVALHO, 2008), que possui uma fabricação e operação

simples, barata e que consegue apresentar evolução aos sistemas convencionais,

principalmente, nos aspectos relativos à eficiência de limpezas mais longas.

A escolha do sistema de aspiração trouxe consigo a necessidade de análise do

funcionamento do mesmo, com as adaptações necessárias para que fosse utilizado no

sistema autônomo. Por isso foi feita uma simulação computacional do escoamento do ar

no interior do ciclone, para confirmar se o sistema apresentaria o mesmo funcionamento

nas condições adaptadas. A resposta da simulação foi bastante positiva, possibilitando a

utilização do sistema para limpeza doméstica, realizada pelo robô.

Uma vez definidos os sistemas de movimentação e aspiração, chegou-se a

discussão do sistema de controle a ser aplicado na máquina. A plataforma Arduino foi

selecionada como método de controle devido a sua facilidade de utilização, baixo

investimento e ampla biblioteca de funções e compatibilidade de acessórios.

Após a escolha do sistema de controle, foram selecionados os sensores e

atuadores do robô. Os sensores ultrassônicos de presença foram escolhidos graças à

possibilidade de programação de critérios de distância para objetos (obstáculos), além

da percepção de presença de objetos com uma maior gama de materiais. Além disso, a

precisão de medição nesse tipo de sensor sofre menor influência de fatores ambientais,

como a poeira.

98

Em relação aos atuadores, motores de passo foram escolhidos para movimentação

das rodas, pois os mesmos são usados em aplicações onde é necessário controlar vários

fatores, tais como: ângulo de rotação, velocidade, posição e sincronismo, possibilitando

ao robô movimentos mais precisos. O motor elétrico para o sistema de aspiração do

robô se baseou na utilização de mercado, sendo escolhido um modelo amplamente

utilizado em diversos aspiradores.

Com todos os sistemas idealizados e com componentes conhecidos e definidos, o

último passo para encerramento do estudo foi a apresentação de um plano de montagem

de um protótipo, com intuito de pôr em prática os conceitos definidos ao longo do

trabalho. Foi dado um enfoque na fixação ao chassi do robô e também às ligações

elétricas a serem feitas, as quais foram idealizadas para o protótipo, de forma a

flexibilizar a modificação da montagem para possíveis correções que se façam

necessárias após testes práticos.

Com a finalização do projeto, o estudo aqui desenvolvido conseguiu demonstrar

que o desenvolvimento de tecnologia nacional para a automação residencial é possível,

não só para equiparar às pesquisas que ocorrem no exterior, mas também fornecendo

alternativas mais eficientes para as opções disponíveis no mercado.

O cenário tecnológico atual está cada vez mais voltado às novas tecnologias. Não

só o mercado, mas os usuários também estão mais receptivos a tecnologias que

facilitam o dia-a-dia. O momento é propício para o desenvolvimento da pesquisa no

país e a produção de conteúdo nacional no campo da domótica. O presente projeto

procurou contribuir nesse sentido, apresentando um ponto de partida para realização de

novas análises, procurando-se especificar um modelo de robô capaz de ser utilizado em

conjunto com outros sistemas, para realização de uma ou mais tarefas domésticas. Todo

trabalho aqui apresentado faz parte de um projeto maior, que visa o desenvolvimento de

novas tecnologias em automação urbana.

7.2 – Trabalhos Futuros

O escopo de trabalho proposto para este projeto foi cumprido ao longo dos seis

capítulos que compõem este documento, porém para transformar os conceitos propostos

em realidade, ainda são necessários alguns passos a serem tomados, visando o

aperfeiçoamento das ideias.

99

Com o intuito de propor uma continuidade ao trabalho desenvolvido, nesta seção

serão apresentados alguns possíveis trabalhos futuros para aperfeiçoar o projeto do robô.

Analogamente à estrutura de apresentação do projeto, os trabalhos futuros também serão

apresentados sob a mesma divisão de sistemas.

Para o sistema de locomoção, a equação cinemática apresentada descreve

adequadamente a movimentação do robô no espaço, porém ainda são necessárias

algumas avaliações complementares a serem feitas, como: complementação ao estudo

cinemático com um estudo dinâmico, propondo a inclusão de equações de movimento

calculadas pelas leis de Newton, que adicionam a equação de movimento fatores como

massa e aceleração. Modelos de frenagem para a descrição das paradas do robô ao

detectar obstáculos também devem ser desenvolvidos. Um estudo mais aprofundado das

curvas de desempenho dos motores de passo também trará mais valor ao projeto.

Em relação ao sistema de aspiração, novos estudos relativos à inclusão de mais

ciclones acoplados ao sistema, para melhorar a limpeza, pode ser interessante para o

complemento do mecanismo. Com isso, o trabalho de simulações computacionais

também deve ser complementado com as alterações propostas, e o uso de computadores

mais poderosos pode agregar às soluções maior precisão, permitindo a definição de

modelos com características mais próximas do comportamento real de escoamento, bem

como a utilização de malhas mais refinadas.

No que tange ao sistema de controle, são necessários futuros trabalhos de

programação da metodologia de trabalho do robô autônomo no ambiente, contemplando

a adição de um maior número de sensores, de tipos diferentes, bem como a construção

de um circuito mais definitivo, em substituição a placa Arduino acoplada à protoboard.

Já para o protótipo seria interessante dar sequência ao processo de fabricação do

mesmo, com o intuito de testar o comportamento real da movimentação no ambiente,

bem como as limitações de detecção dos sensores e possíveis aprimoramentos da lógica

de programação implementada.

100

Referências

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Mestrado, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.

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disponível em: http://sra.eng.br, acesso em: julho, 2014.

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numérica de um dispositivo de entrada do ciclone no separador gravitacional, In:

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CARVALHO, A. T., 2008, Otimização de ciclone para pré-separação de areia na

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https://plus.google.com/112828855871786964298

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Vishay Semiconductors, disp. em: http://www.vishay.com/docs/83760/tcrt5000.pdf,


102

Anexo A – Documentação Gráfica

2

3

6

7

8

9

10

111213

14

15

16

17

18

19

21

22

23

24

5

20

4

1

Peça

123456789101112131415161718192021222324

Denominação e Observações Quant. Material e Dimensões Tampa

Sensor Ultrassônico HC-SR041211822221420148

21111112

2

Parafuso M2Bomba ElétricaProtoboardParafuso M2 PneuRoda Padrão

Cantoneira Direita Chassi Parafuso M2 Porca M5 Roda Castor Parafuso M5 Parafuso M5Cantoneira Esquerda Motor de PassoBocal Sucção Coletor Placa Arduino Duto CircularSeparador CicloneDuto Retangular Abraçadeira

Polietileno HMW - 400 mmSensor HC-SR04 - 45mm x 20mmRosca Métrica M2 X comp. 15mmBomba Electrolux Modelo TF1S

Dimensões Comerciais 165x57x10mm Rosca Métrica M5 x comp. 25mm Borracha - Diâmetro Interno 126mmPoliuretano -Diâmetro Externo 126mm Alumínio - 56,5 x 56,5 x 1 mm Poletileno HMW - 400mm Rosca Métrica M2 x comp. 25mm Rosca Métrica M5 x 10mm Poliuretano e Alumínio - 30mm Rosca Métrica M5 x comp. 30mm Rosca Métrica M5 x comp. 25mm Alumínio - 56,5 x 56,5 x 1mm Motor Kalatec KTC-HT23-397 Poliestileno - 175mm Poliestileno - 60mm x 60mm Arduino Uno ComercialDuto Sanfonado Comercial - 35mm Poliestileno - 70mm x 280mmDuto Sanfonado Comercial-35x14mm Alumínio - 71mm x 140mm


Robô Aspirador de Pó Agosto de 2014 Explodida

Isométrica

Prof. Armando Carlos de Pina Filho Projeto Final de Graduação UFRJ

Escala: 1:5

Unidade: mm

R70 85

R10

19

200

R200

R184

R15

R154

A

A

6

18

18

CORTE A-AESCALA 1 : 5

1

Tolerância Geral 0,01mm


Peça Denominação e Observações Quant. Material e Dimensões

Robô Aspirador de Pó Agosto de 2014

3º Diedro

Escala: 1:5Desenho 1

Prof. Armando Carlos de Pina Filho Projeto Final de Graduação UFRJ Unidade: mm

1 1Tampa Polietileno HMW - 400mm

12

5

9


15

7




3º Diedro



7 2Pneu Borracha - Diâmetro Interno 126mm

12

6

24

A

A

E

15

6

2


R3 2,5

DETALHE EESCALA 2 : 1

8





3º Diedro



8

8

2Roda Padrão Poliuretano - Diâmetro Externo 126mm

20

5

5

5

5

12

56,

5

57,5

1

1

9


N10




3º Diedro

Escala:1:1Desenho 9


9 2Cantoneira Direita Alumínio - 56,5 x 56,5 x 1mm

10 10

10

130

R9,5

5

2

56,5

68,

5

R17

9

R160

R20

0

A

A

3

3

3



10




3º Diedro



10 1Chassi Polietileno HMW - 400mm

4

1

8

2

1 29

20

62

4

36 32

R4

13





3º Diedro



13 1Roda Castor Poliuretano e Alumínio - 30mm

20

5

5

12

1

5

5

56,

5

57,5

1

16


N10




3º Diedro



17 2Contoneira Esquerda Alumínio - 56,5 x 57,5 x 1 mm

R17

9 R160

R9,5

R9,5

35

14

5

10

CC

1

CORTE C-CESCALA 1 : 2

18





3º Diedro



18 1Bocal de Sucção Poliestileno - 175mm

26

65

146

AA 1

R15 R15

R14 R14

28


19





3º Diedro



19 1Coletor Plástico - 60mm x 60mm

24

,3

35

AA

105

34

13

1

280

70

1



22




3º Diedro

Escala:1:2Desenho 22


22 1Separador Ciclônco Plástico - 70mm x 280mm

11 11

36

R36

R35

1

R1 R1

94,3

10

5

5

24


N10




3º Diedro



24 2Abraçadeira Alumínio - 70mm x 140mm

152

A

A

2

13CORTE A-A

ESCALA 1 : 2

8

17

20 3

1123

5

2422

12214

16

24 2Abraçadeira Alumínio - 71mm x 140mm x 1mm

9

R200 18

14

1115Peça Denominação e Observações Material e DimensõesQuant.

1234567891011121314151617181920212223

121182222142014822111111

TampaSensor Ultrassônico HC-SR04

Parafuso M2Bomba ElétricaProtoboardParafusoM2

PneuRoda padrãoCantoneira Direita

ChassiParafuso M2Porca M5Roda CastorParafuso M5Parafuso M5

Cantoneira EsquerdaMotor de PassoBocal Sucção

ColetorPlaca ArduinoDuto CircularSeparador CliclônicoDuto Retangular

Polietileno HMW- 400mmSensor HC-SR04 - 45mm x 20mm

Rosca Métrica M2 x comp.15mmBomba Electrolux Modelo TF1S

Dimensões Comerciais 165x57x10mmRosca Métrica M5 x comp.25mmBorracha Diâmetro Interno 126mmPoliuretano Diâmetro Externo 126mm

Alumínio - 56,5mm x 56,5mmPolietileno HMW - 400mmRosca Métrica M2 x comp.25mmRosca Métrica M5

Poliuretano e Alumínio - 30mmRosca Métrica M5 x comp.30mm

Rosca Métrica M5 x comp. 25mmAlumínio - 56,5mm x 56,5mm

Modelo Comercial Kalatec KTC-HT23-397Poliestileno - 175mm

Poliestileno - 60mm x 60mmArduino Uno Comercial

Duto Sanfonado Comercial - 35mmPoliestileno - 70mm x comp.280mmDuto Retângular Sanfonado - 35x14mm



Prof. Armando Carlos de Pina Filho Projeto Final de Graduação

Montada

UFRJ

3º Diedro

Escala: 1:5

Unidade: mm

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