Paletização Automática Através de Braço Robótico Controlada por Microcontrolador Arduino

UNIVERSIDADE SANTA ÚRSULA ENGENHARIA ELÉTRICA paletização automática através de braço robótico C ontrolada por microcontrolador arduino anderson cezar de almeida lugão joão ricardo batista Rio de Janeiro 2017 anderson cezar de almeida lugão joão ricardo batista paletização automá tica através de braço robótico controlada por microcontrolador arduino Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Santa Úrsula para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica Orientador a Profª Me Alex Ribeiro Franco Rio de Janeiro 2017 Ficha Catalográfica Biblioteca da Universidade Santa Úrsula L951 Lugão Anderson Batista João Ricardo Paletização automática através de braço robótico econtrolada por microcontrolador Arduino Anderson Lugão e João Ricardo Batista 2017 85 f il Monografia Graduação em Engenharia ElétricaÊnfase em Controle Universidade Santa Úrsula Rio de Janeiro 2017 Orientador Prof Me Alex Ribeiro Franco 1 Robótica Industrial 2 Sistemas de Paletização I Título CDD 621321 ed L951 Lugão Anderson Batista João Ricardo Paletização automática através de braço robótico econtrolada por microcontrolador Arduino Anderson Lugão e João Ricardo Batista 2017 85 f il Monografia Graduação em Engenharia ElétricaÊnfase em Controle Universidade Santa Úrsula Rio de Janeiro 2017 Orientador Prof Me Alex Ribeiro Franco 1 Robótica Industrial 2 Sistemas de Paletização I Título CDD 621321 ed anderson CEZAR DE ALMEIDA lugão joão ricardo batista paletização automática através de braço robótico e controlada por microcontrolador arduino Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Santa Úrsula para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica Orientador a Profª Me Alex Ribeiro Franco Aprovada em 0 8 de dezembro de 2017 BANCA EXAMINADORA Prof Me Alex Ribeiro Franco Orientador Mestre em Engenharia Elétrica Universidade Santa Úrsula USU Prof Me Eduardo Sabatino Mestre em Engenharia Elétrica Universidade Santa Úrsula USU ProfDSc João Carlos de Oliveira Aires Doutor em Engenharia Elétrica Universidade Santa Úrsula USU AGRADECIMENTOS A Deus pоr tеr mе dado saúde е força pаrа superar аs dificuldades A Universidade Santa Úrsula e todo seu corpo docente além da direção e a administração que realizam seu trabalho com tanto dedicação trabalhando incansavelmente para que nós alunos possamos contar com um ensino de qualidade Ao Prof Me Alex Ribeiro pela orientação parceria e dedicação durante o desenvolvimento desse trabalho Ao Prof Dr João Carlos Aires pela organização do evento de exposição dos trabalhos e conselhos direcionados a estes alunos Ao Prof Me Eduardo Sabatino por facilitar a comunicação entre os alunos e a diretoria Ao Prof Dr Edísio pela contribuição intelectual Ao Prof Me Jorge Bittencourt onde pudemos absorver conceitos e exemplos de aplicações em automação de processos com base em sua vivência no setor Aos professores membros da banca examinadora pelo tempo dispensado e o compromisso à isonomia na análise da presente defesa Aos técnicos e secretários do Departamento de Engenharia Elétrica em especial Oscar Resende pelo apoio na utilização dos laboratórios e seus recursos Às nossas famílias e especial as nossas esposas que nos deram total apoio nessa jornada nos fortalecendo nos momentos mais complicados e por ser nossa descontração em momentos de tensão A minha mãe por toda a dedicação que ela tem comigo muitas vezes abrindo mão de fazer coisas para si para se dedicar a mim mesmo sem eu pedir nada Serei eternamente grato Ao meu pai por ser o meu maior exemplo de vitória nessa vida e por ter me ensinado todos os valores éticos e morais que conheço Gostaria de dizer que estar ao meu lado nessa vida é um grande privilégio e tu me enches de orgulho a cada dia que passa como um grande homem e um grande pai Agradeço todas as dificuldades que enfrentei não fosse por elas eu não teria saído do lugar As facilidades nos impedem de caminhar Mesmo as críticas nos auxiliam muito Chico Xavier RESUMO A paletização é um sistema utilizado em geral nas indústrias com o intuito de manipular acondicionar e armazenar com eficiência e segurança os produtos que acabara de sair da linha de produção e estão a serem encaminhados aos respectivos consumidores O presente protótipo tem como objetivo se aprofundar nessa área da automatização de transporte de paletes a paletização automática que vem se expandindo cada vez mais nos últimos anos principalmente com o avanço em capacidade de processamento e inteligência de máquinas Para a elaboração do sistema d e paletização robótica em micro escala tomouse como base os estudos e pesquisas sobre tecnologias existentes e conceitos aplicados nesta área dentre as quais será abordado os métodos aplicados em Elétrica Mecânica e Programação E é com base nesses conceitos que foi implantado um sistema de controle através da plataforma de desenvolvimento integrado Arduino e seu hardware Open Source Hardware Hardware livre que utiliza o microcontrolador ATMega 328 afim de simular um sistema de automação industrial de grande escala em um ambiente de prototipagem muito usado por institui ções de ensino desenvolvedores e empresas do mundo todo Palavraschave Paletização Protótipo Robótica Arduino ABSTRACT The palletization is a system used in General in order to manipulate package and store with efficiency and safety products that had just come out of the production line and are to be forwarded to their consumers This prototype aims to delve into the area of the automation of pallet transport the Automatic palletizing which has been expanding increasingly in recent years especially with the advances in processing power and machine intelligence For robotic palletizing system in microscale based on studies and research on existing technologies and concepts applied in this area among which will be dealt with the methods applied in electrical mechanical and programming And is based on these concepts that a control system was implemented through the Arduino integrated development platform and your hardware Open Source Hardware that uses the microcontroller ATMega 328 in order to simulate an industrial automation system large scale prototyping environment used by educational institutions companies and d evelopers from around the world Keywords Palletizing Prototype Robotics Arduino LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Sistema de Paletização 22 Figura 2 Produtos acomodados no palete 22 Figura 3 George Devol o pai da Robótica Industrial 2 5 Figura 4 Braço r obótico e suas medidas 27 Figura 5 Articulações projetadas pelo Braço Robótico 27 Figura 6 Sequência de elos numa junta de um Braço Robótico 28 Figura 7 Estrutura e m ovimentos do b raço a dquirido 29 Figura 8 Representação esquemática das juntas 2 9 Figura 9 Tipos de Juntas empregadas em Robôs 3 0 Figura 1 0 Atuador Sistema de sensor e circuito de controle de um servomotor 3 1 Figura 1 1 Sinais de controle do servomotor 32 Figura 1 2 Área de trabalho do braço 33 Figura 1 3 Estrutura do braço com suas medidas e forças representativas 34 Figura 1 4 Servomotor Modelo KS3518 3 6 Figura 1 5 Servomotor Modelo MG995G 3 6 Figura 1 6 Garra de Alumínio 3 7 Figura 1 7 Estrutura Final do Braço Robótico 3 8 Figura 1 8 Base do projeto 39 Figura 19 Materiais utilizados na confecção da esteira 4 1 Figura 20 Esteira montada e em operação 41 Figura 2 1 Miniatura de Palete 4 3 Figura 2 2 Miniatura de engradado 4 3 Figura 2 3 Placa Arduino Uno R3 4 5 Figura 2 4 Fonte de alimentação 4 6 Figura 2 5 Jumper MachoMacho 47 Figura 2 6 Jumper MachoFêmea 47 Figura 27 Jumper FêmeaFêmea 47 Figura 28 Cabo USB 48 Figura 29 Arduino Motor Shield V5 49 Figura 3 0 Sensor Shield esquemático 49 Figura 3 1 Sensor de Obstáculo Infravermelho IR LM 393 50 Figura 3 2 Objeto ao se posicionar em frente ao LED 5 0 Figura 3 3 Componentes eletrônicos do sensor 5 1 Figura 3 4 Software Arduino IDE 5 2 Figura 35 Início do código declaração das variáveis 53 Figura 36 Função void setup 53 Figura 37 Parte do algoritmo responsável pelo movimento suave do braço 54 Figura 38 Parte do algoritmo responsável pela manipulação do braço 54 Figura 39 Parte do algoritmo responsável pela posição do braço 55 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Dados referentes para o cálculo do Torque 36 Tabela 2 Especificações técnica dos Servos motores 37 Tabela 3 Itens de Fixação 42 Tabela 4 Especificações técnica do Arduino 4 6 Tabela 5 Informações Técnicas da Fonte Duex 49 Tabela 6 Análise de custo com o Projeto 61 LISTA DE QUADROS Quadro 1 Cronograma das etapas do trabalho de conclusão de curso 60 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS A Ampéres AC Corrente Alternada ATX Advanced Technology Extended ABRAS Associação Brasileira de Supermercados CPP Comitê Permanente de Paletização CI Circuito Integrado cm Centímetro DC Corrente Contínua EEPROM ElectricallyErasable Programmable ReadOnly Memory EVA Ethylene Vinyl Acetate g grama unidade de medida de massa GL Graus de Liberdade GND Ground Aterramento Kb Kilobyte Kg Kilo KΩ Kilo ohm IDE Integrated Development Environment ICSP Circuito Programação Serial IIC Circuito inter integrado IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas LCD Display de Cristal Liquido LED Diodo Emissor de Luz M Metro mA Mí li Amper mm Milímetro ms Milissegundos MHz Mega Hertz PBR Palete Brasileiro PWM Pulse Width Modulation RISC Reduced Instruction Set Computer RUR Robôs Universais de Russum SRAM Static Random Access Memory SPI Serial Peripheral Interface Out Saída V Volts VCC Voltage Collector Collector USART Universal SynchronousAsynchronous ReceiverTransmitter USB Universal Serial Bus W Watts PCI Placa de Circuito Impresso Sumário Sumário 15 1 INTRODUÇÃO 1 7 2 JUSTIFICATIVA 1 9 3 OBJETIVO 2 0 31 Objetivo Geral 2 0 32 Objetivos Específicos 2 0 4 REFERENCIAL TEÓRICO 2 1 41 Paletização 22 42 Robótica 2 2 43 Arduino 2 5 5 MATÉRIA I S e MÉTODOS 2 5 51 Mec â nica 2 6 511 Anatomia Da Estrutura Mecânica Do Braço 2 6 5112 Aspectos Construtivos do Manipulador Robótico 2 7 512 Matéria Prima 38 513 Base Estrutural 38 51 4 Esteira 39 51 5 Ferramentas 4 2 51 6 Itens de fixação 42 517 Palete e Engradados 4 2 52 ELETRÔNICO 4 3 521 Computador 4 3 522 Placa Microcontroladora 4 4 523 Fonte De Alimentação 4 5 5241 Jumpers 47 5242 Cabo USB 48 525 Arduino Sensor Shield V5 0 Expansor De Entradas E Saídas 48 526 Sensor de Obstáculo Reflexivo Infravermelho Ir Lm393 50 53 SOFTWARE 51 54 PROGRAMAÇÃO5 2 6 Análise de Resultados 5 5 7 Conclusão 5 6 8 Considerações finais 56 Cronograma 5 8 ORÇAMENTO 59 Referências Bibliográficas 6 0 GLOSSÁRIO 6 4 ANEXO A PINAGEM ATMEGA 328 67 1 INTRODUÇÃO Atualmente o grande objetivo que as indústrias vêm buscando é na redução da mão de obra humana Segundo um estudo realizado pela Federação das Indústrias de Comércio do Estado do Rio de Janeiro FIRJAN 2014 o custo unitário do trabalho entre os anos de 2010 e 2014 subiu cerca de 116 Em decorrência destes custos o processo de automação surgiu como uma alternativa para este tipo de processo na qual se busca um crescimento nas indústrias aumento do capital investido sem perder a qualidade de seus produtos Um robô é definido como um manipulador multipropósito controlado manualmente ou automaticamente e pode ser programável em um ou mais eixos 4 Atualmente com o aumento na competividade em busca de qualidade tanto para atender nos serviços quanto em produtos buscase executar tarefas com eficiência e precisão em um determinado intervalo de tempo Este tipo de processo antes somente executado por humanos agora passou a ser também operados por robôs dispositivos mecatrônic o s que já são uma realidade na substituição ou melhoria do trabalho humano Estes tipos de controle são através de conexões de realimentação feedback entre seus sensores interagindo de acordo com o ambiente na qual se encontra através de seus atuadores dispensando a ação do ser humano para realizar determinadas tarefasCom todos esses recursos disponíveis pode se projetar máquinas robóticas para a realização de muitas tarefas como o próprio autor Belo descreve O avanço que se deu desde a segunda guerra mundial onde os investimentos das pesquisas com robôs foram estimulados Visando a necessidade de trabalhar com a manipulação de objetos e produtos perigosos George Devole e Joe Engelberguer deram início à implantação do primeiro robô industrial Logo nos primeiros trabalhos executados foi visível o ganho no processo produtivo redução de custo por mão de obra redução de periculosidade melhor qualidade no produto repetibilidade redução do tempo e melhora na realização de atividades complexas ou desgastantes 1 Com o avanço da tecnologia verificouse que diversos setores da indústria comércio estão introduzindo cada vez mais máquinas automatizadas e manipuladores robóticos em suas produções Foi pensando na necessidade de reduzir o trabalho braçal e aumentar a eficiência das indústrias foi projetado um protótipo de sistema de paletização automático que consiste no desenvolvimento de uma esteira em conjunto com um braço robótico controlado por uma plataforma de prototipagem Arduino Outro ponto que merece destaque é a futura utilização desse projeto pelos alunos de engenharia para o desenvolvimento de habilidades na área de programação e robótica 2 JUSTIFICATIVA A tecnologia dos processos automatizados e a quantidade de robôs de uso industrial aumentaram significativamente durante os últimos anos O desenvolvimento de um processo automatizado exige conhecimentos interdisciplinares tais como engenhar ia mecânica engenharia elétrica engenharia de computação sistema de controle entre outros Seguindo este cenário e com foco no desenvolvimento de um projeto integrado e mult idisciplinar destacase a potencialidade do desenvolvimento deste trabalho no ambiente acadêmico como forma de manter os alunos conectados a evolução do mercado de trabalho ora agregando valor ao perfil profissional ora absorvendo conhecimento Por outro lado a fabricação desses processos encontrase em um patamar tecnológico acima daquele encontrado nas universidades O custo para aquisição desses equipamentos é extremamente alto o que torna sua utilização e conhecimento restritos tanto pelas pequenas empresas como por profissionais e instituições de ensino Visando difundir o conhecimento da tecnologia empregada nos manipuladores robóticos o desenvolvimento deste projeto de menor custo poderá ser aplicado aos laboratórios de ensino para fins didáticos possibilitando o estudo da robótica sistemas controle digital controle inteligente pertencentes à grade curricular do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Santa Úrsula 3 3 OBJETIVO 31 Objetivo Geral O objetivo geral deste trabalho é simular um processo de paletização automático através do uso do braço robótico para retirar o produto da esteira e deslocálo até o palete u tilizando um conjunto de servosmotores e sensores de obstáculo do tipo infravermelho controlados através de um microcontrolador AVR 32 Objetivos Específicos Construir uma esteira a partir de materiais reciclados que fará parte do sistema de transposição linear das cargas Desenvolver e implementar um sistema de controle do posicionamento do manipulador robótico e dos sensores da esteira em Linguagem C C Simular um processo de automação industrial por meio de um protótipo em microescala 4 REFERENCIAL TEÓRICO 41 Paletização Não existem registros precisos quanto à origem dos paletes porém os primeiros registros remontam a utilização de empilhadeiras por volta de 1925 nos Estados Unidos e também nesta época no norte da Europa 35 Suas primeiras aplicações foram em transporte marítimo nas operações de estiva Registros concretos no surgimento dos paletes foram durante a 2 Guerra Mundial 1939 1945 na qual se utilizou seis mil empilhadeiras e seis milhões de paletes No Brasil a história dos paletes é de que foram trazidos pelas indústrias automobilísticas americanas e pelos supermercados de origem francesa sendo introduzido na década final dos anos 60 e início da década de 70 Em meados de 1987 a ABRAS Associação Brasileira de Supermercadistas criou o Grupo de Palete de distribuição que se consolidou em abril de 1988 Podemos definir a paletização num processo de organização das embalagens dos produtos formando pilhas obtendo um volume paralelepipedal cuja altura é determinada pelo peso e espaço disponível de forma compacta em cima de paletes Para promover uma melhor organização no estoque e facilitar o deslocamento da carga tanto dentro como fora do estoque Com estruturas padronizadas o palete PBR introduzido no mercado pela ABRAS e entidades que compõe a CPP em assessoria com a IPT é o modelo ideal para movimentação e armazenamento de mercadorias no Brasil Sua dimensão é de 100 X 120m e os materiais empregados na sua confecção podem ser de madeira plástico borracha aço e papelão 6 Como podemos verificar segue abaixo as vantagens da paletização que podem ser 5 Redução drástica nas avarias de produtos Redução no roubo de cargas Agilização na conferência de mercadorias Padronização de embalagens e equipamentos Aumento da eficiência de carga e descarga Aperfeiçoamento de controle de estoque Otimização de mãodeobra Agilização e melhoria do fluxo logístico total Figura 1 Si stema de Paletização Figura 2 Produto acomodado no palete Fonte ULMA 2017 p1 Fonte Closeout Services 2017 p1 42 Robótica A palavra robô tem como origem da palavra tcheca Robotnik que significa servo Este termo a princípio foi utilizado por Karel Capek em 1923 época em que se sonhava com a idéia de um homem mecânico pertencer a alguma obra de ficção científica Na Grécia antiga o filósofo Aristóteles relata os primeiros princípios da robótica ao descrever a utilização de instrumentos em trabalhos que não empregavam as mãos o que reduzia os esforços do homem 1 O dramaturgo Karel Capek utilizou a palavra robota em uma peça de teatro chamada Robôs Universais de Russum RUR retratando a criação de robôs para substituir a mão de obra humana 1 No início do século XX o principal objetivo na criação de robôs era melhorar a produtividade industrial e a qualidade dos produtos A partir da Revolução Industrial no século XVIII iniciase a evolução de novas fontes de energia novos mecanismos e instrumentos tornando possível a evolução das máquinas para controlar ações sequenciadas 1 O ano 1940 possui grande destaque na história foi quando o escritor Isaac Asimov enunciou as leis da robótica A última lei ou lei zero foi enunciada em 1984 1 Lei zero Um robô não pode causar mal à humanidade nem permitir que ela própria o faça Primeira lei Um robô não pode ferir um ser humano ou permanecer passivo deixando um ser humano exposto ao perigo Segunda lei Um robô deve obedecer às ordens dadas pelos seres humanos exceto se tais ordens estiverem em contradição com a primeira lei Terceira lei Um robô deve proteger sua existência na medida em que essa p roteção não estiver em contradição com a primeira e a segunda lei Em 1968 houve grande avanço nas aplicações desenvolvidas no Laboratório de Inteligência Artificial de Standford McCarthy e sua equipe desenvolvem um computador com capacidade de identificação reconhecimento e manipulação de blocos através da decodificação de mensagens de voz Em paralelo Pieper estudou o problema de cinemática de um manipulador controlado por computador 1 Em 1969 ano em que o homem chega a Lua manipuladores são aplicados nos processos de recolhimento de amostras sob o comando de um controle remoto 1 Em 1970 temse o início de pesquisas da utilização de sensores em robôs Em 1971 Kahn e Rothanalisam a dinâmica e o controle de braços flexíveis Em 1974 a empresa Cincinnat Milacron fábrica o primeiro robô industrial controlado via computador cuja função era mover objetos numa linha de montagem 1 Podemos dizer que o marco que originou o avanço da automação nos processos industriais foi em 1959 Devol e Joseph F Engelberger membros da empresa Unimation Inc desenvolveram o primeiro robô industrial No ano de 1962 HA Ernst inicia o desenvolvimento de um computador cuja função era controlar uma mão mecânica utilizando sensores para o tato Posteriormente existiram outros tipos de manipuladores robóticos como exemplo os mais conhecidos foi o Braço de Stanford com atuação elétrica desenvolvida pela Universidade de Stanford o PUMA Programmable Universal Machine for Assembly desenvolvida pela Unimation na qual seu projeto era composto por juntas elos e punhos e a SCARA Selective Compliant Articulated Robot Arm desenvolvida pela Universidade de Yamanash e é composto por duas jun tas de rotação e uma prismática 3 3 Os robôs industriais são sem dúvida de suma importância econômica e tecnológica Desde a introdução dos robôs em 1961 foram instalados em todo mundo cerca de 125 milhões de robôs até o final de 2007 sendo a maior parte de um percentual de 65 a 80 empregados na fabrica ção de metal me automobilística 3 4 Segundo dados da IFR International Federation of Robots no ano de 2011 foram comercializados cerca de 170000 robôs para aplicação industrial dentre as quais 1440 somente no Brasil 3 4 Atualmente com a crescente competitividade do mercado o empres ário busca na automação e robótica o auxilio para contribuir no aumento da produtividade e redução de custos para ampliar seus negócios Um estudo realizado pela multinacional Boston Consulting Group revela que a evolução dos robôs industriais permitirá ate 2025 um aumento de 30 na produção industrial a lém de reduzir os custos em 16 3 2 Ainda segundo a Boston Consulting os países que mais investem em automação são a Alemanha Coréia do Sul China Estados Unidos e Japão A automação do ponto de vista técnico incorpora serviços digitais para fins de produção de forma que os produtos e os estoques possam ser regularizados através de compartilhamento de dados isto é os processos automatizados auxiliam nos processos de produção descentralizados transformando a produção convencional a partir dessas novas técnicas aumentando a eficiência e agilidade maximizando a produção e o tempo gasto visando uma produtividade qualidade e segurança características geradas por este tipo de processo permitindo uma personalização e qualidade no processo final 3 2 O destaque fica por conta d os manipuladores robóticos que são empregados nas montadoras de automóveis em serviços que exi ja m agilidade e periculosidade proporcionando uma diminuição de acidentes e doenças oriundas dos trabalhos realizados nas fábricas principalmente por esforço repetitivo A grande evolução que a robótica passou até os dias de hoje e foram graças ao desenvolvimento da eletrônica que implicou na redução de custo d e produção com dispositivos microeletrônicos e no desenvolvimento da informática como os microprocessadores e microcontroladores Esse avanço tecnológico aumentou a capacidade de processamento de dados diminuiu os custos de fabricação dos robôs tornandoos mais acessíveis 1 Figura 3 George Devol o pai da Robótica Industrial Fonte MEDIUM 2017 p1 43 Arduino O Arduino é um projeto que foi desenvolvido na cidade de Ivrea Itália em 2005 formado por um grupo de cinco pesquisadores Massimo Banzi David Cuartielles Tom Igoe Gianluca Martino e David Mellis Na época o objetivo era desenvolver um dispositivo que fosse acessível tanto para estudantes quanto para projetistas amadores e ao mesmo um produto que estivesse dentro do orçamento funcional e fácil programação Além disso foi adotado o conceito de hardware livre o que significa que qualquer um pode montar modificar melhorar e personalizar o Arduino partindo do mesmo hardware básico 8 5 MATÉRIAS e MÉTODOS A produção deste trabalho é baseada num projeto de caráter experimental com base em pesquisas bibliográficas relacionadas ao assunto abordado tornando possível a reunião de informações teóricas e comparação de resultados O projeto desenvolvido demonstra um processo de paletização em conjunto com o manipulador robótico com cinco graus de liberdade e atuação com características dos manipuladores modernos Os princípios que levaram o desenvolvimento do projeto de paletização são Um braço robótico articulado com garra com acionamento através de comandos do tipo PWM por meio de servomotor es de alto torque e controladas por um microcontrolador AVR Desenvolvimento de uma esteira por onde o produto é deslocado até sua retirada pelo braço robótico Sistema automatizado de transporte de carga da esteira até uma miniatura de palete Com exceção do protótipo da esteira que foi confeccionado a partir de materi ais reciclados todos os componentes que fazem parte deste projeto foram adquiridos em lojas virtuais Este projeto de paletização é composto por uma placa de circuito eletrônico Ardu ino Uno e seu microcontrolador ATMega 328P um módulo de expansão de entradas e saídas para o Arduino Uno servos motores estrutura mecânica sensores de obstáculo infravermelho que utiliza o CI L M 393 Circuito Comparador fonte de alimentação e objetos em miniatura representando o palete e os engradados de refrigerante Nos índices de mecânica e eletrônica será descrito com mais detalhes a s funções executada s de cada componente que integra este projeto de paletização automática 51 MecÂnica 511 Anatomia da Estrutura Mecânica d o Braço Toda a estrutura do braço robótico incluindo os eixos é construída em aço inoxidável com uma espessura de 13 mm Este tipo de material suportar uma carga considerável sem que haja uma distorção na sua estrutura Podese ter um alcance de até 25 cm e seu p eso total é de 13 kg Na figura 4 podemos visualizar as suas dimensões na qual pode se atingir até 21 cm de altura da base até a junção do cotovelo a distância cotovelo até o punho mede se 21 cm o ant e braço mede 9 cm o braço mede 14 cm e na sua parte frontal que vai nos extremos de cada servomotor mede 21 cm e na figura 5 as articulações projetadas pelo braço Figura 4 Braço Robótico e suas medidas Fonte ROBOTPARK 2017 p1 Figura 5 Articulações projetadas pelo braço robótico Fonte ROBOTPARK 2017 p1 5112 Aspectos Construtivos do Manipulador Robótico O braço humano é constituído por seis juntas na qual três são de graus de liberdade ombro cotovelo e o tronco e três no punho U m manipulador robótico é constituído por vários elos rígidos ligados em série por juntas como demonstrado na figura 6 tendo uma das extremidades fixa Base e outra livre para se mover Punho Na figura 7 podemos visualizar a localização dos graus de liberdade dos itens acima Figura 6 Sequência de elos numa junta de um Braço Robótico Fonte PIRES 2002 p14 Figura 7 Estrutura e m ovimentos realizados pelo b raço adquirido Fonte GARCIA 2013 p25 O número de juntas de um manipulador robótico é o que determina o grau de liberdade isto é o número de variáveis independentes de posição que precisa ser especificado para se determinar a localização de todas as partes do mecanismo Pode ser visto na figura 9 seis modelos de juntas para o plano robótico dentre as quais são Junta Prismática ou linear Ela se move em linha reta e são compostas por duas hastes que deslizam entre si Rotacional Gira em torno de uma linha imaginária estacionária chamada de eixo de rotação Ela gira como uma cadeira giratória e abrem e fecham como uma dobradiça Este tipo de junta pode ser classificado de acordo com as direções dos elos de entrada e de saída em relação ao eixo de rotação Na figura 8 demonstra as juntas rotativas e abaixo as suas respectivas particularidades 12 Rotativa de torção ou torcional T Os elos de entrada e de saída têm a mesma direção do eixo de rotação da junta Rotativa rotacional R Os elos de entrada e de saída são perpendiculares ao eixo de rotação da junta Rotativa revolvente V O elo de entrada possui a mesma direção do eixo de rotação mas o elo de saída e perpendicular a este Figura 8 Representação esquemática das juntas Fonte PIRES 2002 p16 Esférica Funciona com a combinação de três juntas de rotação realizando a rotação em torno de três eixos Cilíndrica É composta por duas juntas uma rotacional e uma prismática Planar É composta por duas juntas prismáticas realiza movimentos em duas direções Parafuso É constituída de um parafuso que contém uma porca ao qual executa um movimento semelhante ao da junta prismática porém com movimento no eixo cent ral movimento do parafuso Figura 9 Tipos de Juntas empregadas em Robôs Fonte PIRES 2002 p16 É justamente nessas juntas que ficam localizados os servos motores Mais qual seria a função dos servosmotores O servomotor é uma máquina eletr omecânica que apresenta movimento proporcional a um comando como dispositivos d e malha fechada isto é recebe um sinal de controle que verifica a posição atual para controlar o seu movimento indo para a posição desejada com velocidade monitorada 11 Em contraste com os motores contínuos que giram i ndefinidamente o eixo do servomotor possui a liberdade de aproximadamente 180º graus mas são precisos quanto à sua posição 11 Para isso possuem três componentes básicos Sistema atuador o sistema atuador é constituído por um motor elétrico embora também possa encontrar servos com motores de corrente alternada a maioria utiliza motores de corrente contínua Também está presente um conjunto de engrenagens que forma uma caixa de redução com uma relação bem longa o que ajuda a amplificar o torque O tamanho torque e velocidade do motor material das engrenagens liberdade de giro do eixo e consumo são característicaschave para especificação de servos motores Sensor o sensor normalmente é um potenciômetro solidário ao eixo do servo O valor de sua resistência elétrica indica a posição angular em que se encontra o eixo A qualidade desses vai interferir na precisão estabilidade e vida útil do servomotor Circuito de controle o circuito de controle é formado por componentes eletrônicos discretos ou circuitos integrados e geralmente é composto por um oscilador e um controlador PID controle proporcional integrativo e derivativo que recebe um sinal do sensor posição do eixo e o sinal de controle aciona o motor no sentido necessário para posiciona r o eixo na posição desejada Os servos motores possuem três fios de interface dois para alimentação e um para o sinal de controle O sinal de controle utiliza o protocolo PPM modulação por posição do pulso que possui três características básicas largura mínima largura máxima e tax a de repetição frequência Na figura 1 0 podemos visualizar partes dos componentes principais de um servomotor Figura 1 0 Atuador Sistema de sensor e c ircuito de c ontrole de um servomotor Fonte Autor A largura do pulso de controle determinará a posição do eixo 1 1 Sinal de controle de servomotor Largura máxima equivale ao deslocamento do eixo em 90º da posição central Largura mínima equivale ao deslocamento do eixo em 90º Demais larguras determinam a posição proporcionalmente O pulso de controle pode ser visto na ilustração na figura 1 1 sobre sinais de controle de servomotor es Figura 1 1 Sina l de controle do servomotor Fonte AISHACK 2017 p1 Em geral a taxa de repetição é de 50 Hz e a largura do pulso do sinal de controle varia de 1 a 2 ms Porém um servomotor também pode funcionar também a 60 Hz Como no mercado existem muitas ofertas de fabricante para diversos tipos de torque foi empregado um desses dispositivos no projeto mas antes tivemos que levar em consideração o torque precisão e controle elementos simples porém essenciais para um bom funcionamento Mas antes de tudo tivemos que calcular a área de trabalho que o braço para que não haja nenhuma interferência durante todo o seu deslocamento Possuindo as medidas do braço robótico foi realizada uma análise matemática com a finalidade de calcular o volume da região de trabalho do braço Vale lembrar que o modelo de braço utilizado no projeto apresenta as características de Articulação Vertical Alcançam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L como ilustrado na figura 1 2 9 Sua fórmula pode ser descrita como V 3351 L L L Figura 1 2 Área de trabalho do Braço Fonte RESEARCH GATE 201 5 p1 Dessa forma os robôs possuem um progressivo aumento na sua área de atuação indo do cartesiano até o de articulação vertical Então a razão entre a área relativa aos casos extremos é Vav Vc 3351 9 Isto significa que a área de trabalho de um robô com articulação vertical com 2 vínculos de tamanho L é 3351 vezes maior que a área de trabalho do robô cartesiano com 3 vínculos de tamanho L 9 Para uma melhor compreensão dos cálculos vamos detalhar as medidas na figura 16 correspondendo a cada lado do braço sendo dividido em cinco pontos principais a Base ponto A Lado AB correspondendo na altura do Servo localizado no Ombro até a Base Lado BC correspondendo os servos das juntas do Ombro até Cotovelo Lado CD correspondendo ao servo do Cotovelo até o início da Junção com a garra do braço e a Garra Além de essas medidas serem utilizadas para calcular o volume da região de trabalho podese obter também o torque em cima de cada servomotor assunto que irá ser abordado mais a frente Agora com todas as medidas obtidas podemos calcular o volume pela fórmula V 33 51 x L ab x L bc x L cd L AB 7 cm 0 07 m L BC 14 cm 014 m L CD 9 cm 009 m Então V 33 51 x 0 07 x 0 15 x 0 09 V 0 029m 3 Com isso o espaço de trabalho ocupado pelo braço do nosso projeto é de 0 029m 3 Agora para calcularmos o torque dos servos motores situados nas juntas é necessário identificar primeiramente as massas como demonstrado na figura 1 3 Figura 1 3 Estrutura do braço com suas medidas e forças representativas Fonte do Autor A massa de M DE é composta pela massa da Garra a massa do servomotor da garra e a carga útil do Braço totalizando 205 g Os pontos M CD estrutura do ponto C até o ponto D e possui 392 g e M BC estrutura do ponto B ao ponto C e apresenta 284 g O ponto MM é a massa do servomotor que interliga os pontos BC e CD na qual sua massa é igual a 55 g Com base dessas informações da massa em cada ponto da estrutura do braço é possível calcular o torque que é exercido em cima dos servos B TB e C TC 9 Na tabela 1 apresenta os dados referentes ao calculo de torque Tabela 1 Dados referentes para o cálculo do Torque Dados VALOR LBC 14 cm LCD 9 cm MDE 0205 Kg MCD 0392 Kg MBC 0284 Kg MM 0055 Kg Fonte do Autor Com base nos dados da tabela acima iremos utilizar as expressões para calcular o torque exercido no servo do ponto B e ponto C através das equações 1 e 2 9 TB MDE x LBC LCD MCD x LBC LCD 2 MM x LBC MBC x LBC 2 0 TB 4715 7252 0495 1988 TB 1445 Kgcm TC MDE x LCD MCD x LCD20 TC 1845 1764 TC 3609 Kgcm Depois de realizar o cálculo estrutural para determinar o torque máximo necessário e a faixa de tensão exercida nos dois pontos principais do braço onde se localizam os servos motores foi pesquisado e adquirido os servos motores Modelo KS 3518 figura 1 4 e o Tower Pro Modelo MG995G figura 1 5 Na tabela 2 se encontra as especificações técnicas dos servos motores adquiridos Figura 1 4 Servomotor KS3518 Figura 1 5 Servomotor MG 995G Fonte ROBU 2017 p1 Fonte ROBU 2017 p1 Tabela 2 Especificações técnicas dos servos motores Modelo MG995 KS 3518 Peso 55g 55g Torque 15 Kgcm a 6 V 15 Kgcm a 6 V Velocidade de Operação 013s 60 C a 6 V 017 60 C a 48 V 013s 60 C a 6 V 017 60 C a 48 V Tensão de Operação 48 72 V 48 72 V Faixa de Temperatura 0 a 55 C 0 a 55 C Ângulo de Rotação 180 Graus Máximo 180 Graus Máximo Corrente de trabalho 100 mA 100 mA A prova dágua Fonte TOWER PRO 2017 P1 e ROBOTPARK 2017 P1 Na robótica o termo órgão terminal referese à ferramenta ou a mão que será unido ao pulso do braço Este componente é responsável para realizar a manipulação de objetos apresentando tamanho e formas diferentes Entretanto é bom requerer estudos nos projetos com a garra devido à necessidade de controlar a força que será operada no objeto A garra atribuída para este projeto é demonstrada na figura 1 6 O material utilizado na garra é feito em alumínio atendendo as nossas características que é de leveza e precisão Possui 5 cm de comprimento e 10 cm de abertura total Figura 1 6 Garra de Alumínio Fonte do Autor Também foi retirado um servomotor na junta do c otovelo pois não haveria necessidade para o nosso projeto P orém este mesmo servo foi re utilizado na esteira onde será mais abordada à frente Após estas etapas de montagem foi utilizado um organizador de cabos para agrupar todos os cabos dos servos motores da estrutura do braço afim de deixálos organizados e esteticamente agradável O resultado final da estrutura pode ser visto na figura 1 7 Figura 1 7 Estrutura f inal do braço robótico Fonte do Auto r 512 Matéria p rima Os materiais utilizados neste projeto serão descritos nos itens subsequentes 51 3 Base e strutural A base do projeto foi construída com madeira reutilizada e foi idealizada para acomodar todos os componentes que integram o sistema de paletização e ter uma grande área de apoio relativa ao volume de atuação do braço proporcionando assim equilíbrio e rigidez a estrutura Basicamente foi construído um re tângulo vazado de 585 cm de comprimento x 48 cm de largura x 16 cm de espessura Para a montagem da b ase da estrutura do braço robótico foram cortados dois pedaços de madeira com 12 cm x 8 cm x 4 cm de comprimento largura e altura respectivamente que foram presos utilizando parafuso próximo ao meio do retângulo alinhado à direita para possa inserir a estrutura mecânica do braço robótico A figura 18 demonstra a base do projeto Figura 1 8 Base do projeto Fonte do Autor 51 4 Esteira Uma esteira transportadora consiste em duas ou mais polias que movimentam uma superfície onde determinados materiais ou objetos são transportados Ela é usada principalmente nas indústrias Para a construção da esteira foi utilizado uma madeira dois carretéis de linha de costura 4 peças de ângulo de canto redondo de ferro para segurar os carretéis uma barra de alumínio com 300 x 20 mm comprimento x espessura abraçadeiras modelo T50R da linha Hellermann Tyton com as seguintes especificações 20 cm de comprimento x 46 cm de largura uma folha vinílica conhecida como EVA de espessura 2 mm e dois trilhos de gaveta de guardaroupa A esteira figura 2 2 que está sendo apresentada neste projeto é um produto piloto desenvolvido por nós para trabalhar em conjunto com o microcontrolador Arduino Este produto foi confeccionado em madeira reciclada e suas dimensões apresentam 25 cm de comprimento 9 cm de largura e 65 de altura Foi necessário o corte de duas peças de madeira com medidas de 55 cm de altura x 16 cm x 3 cm para serem à base da esteira Depois de cortado foi parafusado em cada peça um trilho de gaveta medindo 24 cm de comprimento e em cada extremidade foi fixado um suporte de metal em L para prender os carretéis Esses carretéis funcionam como eixos de deslocamento da superfície da esteira E todo esse conjunto é movido por meio de um do servomotor Esse servo cujo modelo KS 3518 era o responsável pela rotação do cotovelo do braço robótico que foi removido visto que não era necessário neste projeto Então foi reaproveitado na esteira Entretanto foi necessário retirar o potenciômetro que dá posição para o controle e foi substituído por dois resistores de 10 KΩ ligados em paralelo formando um divisor de tensão que passasse a ser referência da posição inicial do servomotor 90ºgraus Após essas modificações realizadas no circuito do servomotor passou a atender as necessidades do projeto Especificamente em um dos carretéis foi utilizado um conjunto engrenagens e roldanas para facilitar o encaixe e desencaixe da esteira durante a implementação do projeto Depois destas etapas foi implementado para superfície da esteira uma tira em EV A cujas medidas apresentadas 50 cm de comprimento 5 cm de largura com suas extremidades unidas através de uma costura manual E por fim para manter a base da esteira firme foi utilizado suportes de alumínio interligando a s duas peças de madeira O projeto a montagem e a execução desta esteira apresentaram certo grau de dificuldade visto que foi necessário alinhamento preciso dos eixos da esteira nas três dimensões onde qualquer diferença desta relação causa o desvio da superfície da esteira de seu centro fazendo com que o objeto saísse da sua trajetória natural Na parte superior da extremidade da esteira foram fixados dois sensores de obstáculo reflexivo por infravermelho LM393 de forma que por meio de programação foi possível realizar o acionamento e desligamento do servomotor da esteira de forma rápida e autônoma Um dos cuidados que foi observa do durante o projeto foi de pesquisar um sensor que atendesse as características de alcance do nosso projeto 1 5 Figura 19 Mat e ria i s utilizadas na confecção da e steira Fonte do Autor Figura 2 0 Esteira montada e em operação Fonte do Autor 51 5 Ferramentas Para a realização do corte e ajustes na chapa de aglomerado para a confecção da Base e da Esteira foi utilizado uma Serra Tico Tico da Black Decker de tensão 110 V e potência de 400 W Junto com a serra têm uma lâmina de serra para madeira Para a realização do aperto dos parafusos foi utilizado uma parafusadeira portátil da Makita modelo 6723DW Ela possui uma maleta com um kit de 80 bits composta por Fendas Philips Allen Torx Canhão entre outras Também foram utilizados outros tipos de ferramentas que auxiliaram durante todo o projeto dentro as quais são chave de fenda Philips Alicate universal de corte de bico serra manual fero de solda de 40 W de potência estanho e estilete 51 6 Itens d e f ixação Os itens de fixação utilizados neste projeto são compostos por parafusos e arruelas A Tabela 3 apresenta a descrição e quantidade dos itens utilizados no projeto Tabela 3 Itens de fixação N DESCRIÇÃO DIMENSÃO QUAN QUANTIDADES 1 Arruela Lisa Zincada 532 pol X 100 mm 30 2 Parafuso Philips Cabeça Escareada chata 3x15mm 4 3 Parafuso Philips Cabeça Escareada com calota 5x60mm 4 4 Parafuso Philips Cabeça Escareada com calota 45x20mm 10 5 Parafuso Philips Cabeça Escareada com calota 45x25mm 12 Fonte do Autor 517 Palete e Engradados Os paletes são uma plataforma de madeira metal ou plástica muito utilizada para movimentação de cargas Os paletes de madeira são os mais comercializados no Brasil e fabricados principalmente com eucalipto e pinus Será utilizado neste projeto miniaturas de palete Figura 2 3 com as dimensões de 90 mm de comprimento x 90 mm de largura por 16 mm de altura pesando 30g e seu material fabricado de plástico Esta miniatura foi adquirida em um site de compra na internet com a finalidade de demonstrar a otimização do transporte de cargas através do seu uso Figura 2 1 Miniatura do Palete Fonte Mercado Livre 2017 p1 Para a realização do transporte do objeto até o palete foi utilizado engradados de CocaCola figura 2 4 apresentando as dimensões de 31 mm de comprimento x 40 mm de largura x 25 mm de altura e doze garrafinhas em cada engradado com as dimensões de 23 mm de altura x 6 mm de diâmetro ambas feitas do material de plástico Figura 2 2 Miniatura de Engradado Fonte CLASF 2017 p1 52 ELETRÔNICO 521 Computador O computador utilizado no projeto de paletização automática para realizar a programação das linhas de comando desenvolvidas e inserir na memória da Microcontroladora via comunicação serial foi um notebook DELL Inspiron 1545 processador PentiumDual Core T 4200 2 GHz memória de 3 GB RAM sistema operacional 32 bits Windows 7 Ultimete 522 Placa Microcontroladora O Arduino é uma placa Microcontroladora baseado no ATmega 328 podendo receber sinais de sensores e converter essas informações para controlar o acionamento de motores leds servos ou qualquer outro atuador O modelo utilizado no projeto é o Arduino UNO figura 2 5 apresentando 14 pinos de entradasaída digitais dos quais seis podem ser usados como sa ídas PWM 6 entradas analógica s um cristal oscilador de 16MHz uma conexão USB uma entrada de alimentação uma conexão ICSP e um botão de reset Na tabela 4 estão os dados técnicos do Arduino fornecidos pelo fabricante Tabela 4 Especificações técnica do Arduino Microcontrolador ATMega 328P Tensão de operação 5 V Tensão de entrada recomendado 712 V Tensão de entrada limites 620 v Corrente I0 20 mA Correntes pinos 33 V 50 mA Pinos Digitais 14 sendo saída PWM Pinos analógicos 6 Memória Flash 32 Kb 05 usado no Bootloader Velocidade do Clock 16 MHz SRAM 2 Kb EEPROM 1 Kb Velocidade de Processamento 8 bits Fonte Arduino 2017 p1 Além dessas características descritas na tabela 4 a placa conta com um conjunto extenso de periféricos internos dentre as quais podemos citar 32 registros de uso geral 6 conversores AD AnalógicoDigital de até 10 bits 3 temporizadores contadores 1 USARTutilizado para realizar a comunicação serial com o microcontrolador 1 Watchdog Timer utilizado para forçar um reset no microcontrolador reiniciando seu programa portas para comunicação SPI utilizado para implementar a comunicação serial com o microcontrolador entre outras características Figura 2 3 Placa Arduino Uno R3 Fonte EQUIBANCADA 2017 523 Fonte De Alimentação Os servos motores possuem um elevado torque principalmente nos seus picos ao sair da inércia gerando um consumo de corrente maior Como o m icrocontrolador Arduino UNO R3 não consegue fornecer corrente necessário para realizar a movimentação dos servos foi preciso adquirir uma fonte de alimentação externa para exercer essa função Após realizar primeiramente os cálculos de consumo de todos os componentes que integram o projeto esta fonte de alimentação externa DUEX Modelo DX 450S ATX 450W figura 27 foi adquirida por atender aos requisitos necessários para o funcionamento de todos os componentes eletrônicos tanto na corrente quanto na tensão como pode ser visto na tabela 5 às especificações técnicas da fonte Figura 2 4 Fonte de Alimentação Fonte do Autor Neste projeto cada servo trabalha na faixa de 100 mA entretanto considerando os picos e a margem de segurança vamos propor que cada servo consome 450 mA da fonte A placa extensora e os sensores infravermelho consomem 50 mA e 20 mA respectivamente cada uma delas A partir destas informações podemos calcular a quantidade de corrente mínima para esta fonte de alimentação que será de 6 Servos motores x 450 mA 2700 mA 1 Placa extensora 50 mA 2 Sensores Infravermelho 40 mA Totalizando o consumo de 2790 mA Tabela 5 Informações Técnicas da Fonte Duex Características Marca Duex Modelo DX 450S Especificações Cor Cinza alumínio Ventilador traseiro 12 x12 cm Bivolt Manual com Chave seletora 115 V230 V Potência 200 W com pico de 300 W Nominal 450 W 2 x Serial ATA Entrada AC Voltagem 115 V230 V Corrente 5A25 A Freqüência Verde Cinza e Preto Oson Pg e Com Corrente Máxima Voltagem Laranja Vermelho e Amarelo respectivamente 33 V 5V e 12V Corrente Branco Azul e Roxo respectivamente 12V 5V e 5 vsb Frequência Verde Cinza e Preto Oson PG e Com Pinagem 1 x Alimentação 2024 Pinos 1 x Auxiliar ATX 1 x Conector PCI Express com 4 pinos 2 x IDE Dimensões Produto 15 x 85 x 14 cm Largura x Altura x Profundidade Fonte KABUM 2017 P1 524 Cabo 5241 Jumpers Foram utilizados jumpers com as seguintes configurações MachoMacho figura 2 6 MachoFêmea figura 2 7 e FêmeaFêmea figura 28 para realizar as ligações dos Servomotor es e Sensores nas placas Microcontroladora Arduino e Sensor Shield V5 Figura 2 5 Jumper MachoMacho Figura 2 6 Jumper MachoFêmea Fonte MERCADO LIVRE 2017 p2 Fonte MERCADO LIVRE 2017 p2 Figura 2 7 Jumper Fêmea Fêmea Fonte MERCADO LIVRE 2017 p2 5242 Cabo USB O modelo de cabo USB utilizado no projeto foi à versão USB 20 com uma taxa de Transferência de 480 Mbit s Mega Bits por segundo com cabo padrão USB A macho para USB B macho em cada extremidade do cabo Através do cabo foram transferidos todos os comandos realizados no programa e armazenados na memória da Microcontroladora Outro recurso utilizado foi para a alimentação da placa controladora Na figura 29 ilustra o cabo utilizado Figura 2 8 Cabo USB Fonte do Autor 525 Arduino Sensor Shield V5 0 Expansor De Entradas E Saídas O modelo utilizado em neste projeto foi o Arduino sensor shield versão 50 Ele foi desenvolvido para ser um extensor de entradas e saídas com diversos conectores do Arduino Pode ser utilizado como fonte para servomotor já que o driver é capaz de controlar a alimentação dos servos motores sem que haja redução da sua capacidade e conseguindo suprir a corrente necessária para todos os equipamentos 19 O Arduino Sensor Shield possui também a funcionalidade de incorporar diversos outros equipamentos de forma rápida e prática como por exemplo compatível com o Arduino UNO e Mega Módulo Bluetooth SD CARD APC220 URF LCD paralelo e LCD serial COM IIC 19 Podemos ver na figura 3 0 Para tomar mais fácil e padronizada suas ligações juntamente ao Arduino o Sensor Shield V5 apresenta tanto entradas e saídas digitais como entradas analógicas e estão dispostas em barramento tipo alimentaçãosinal de três pinos Como podemos observar na figura 3 1 as letras G S e V referemse a G Gnd 0 V S sinal digital de acionamento vindo do Arduino e o V Tensão de 5V da alimentação Figura 29 Arduino Sensor Shield V5 Fonte ROBU 2017 Figura 3 0 Sensor Shield esquemático Fonte Amazon 2017 526 Sensor de Obstáculo Reflexivo Infravermelho I R L M 393 Um sensor é um dispositivo que responde a um estímulo físicoquímico de maneira específica e que pode ser transformado em outra grandeza física para fins de medição eou monitoramento Para nosso projeto foi utilizado dois sensores de Obstáculo por Infravermelho IR L M 393 figura 3 2 na esteira com a função de chaveamento para corrente do servomotor utilizada para movimentar a superfície da esteira O Sensor de Obstáculo Infravermelho IR é um circuito composto por um emissor e um receptor IR mais o CI comparador LM393 que facilita sua conexão com Arduino visto que sua tensão é entre 33 a 5V e uma corrente de consumo de 20 mA O funcionamento deste sensor é baseado no sistema de reflexão de luz infravermelha através de um Led emissor e um fotodiodo figura 3 3 Quando algum obstáculo é colocado em frente ao sensor emissor IR Emitter LED o sinal infravermelho é refletido para o receptor IR Receiver Quando isso acontece o pino de saída OUT é colocado em nível baixo 0 e o led verde Obstacle Led do módulo é acesso indicando que algum obstáculo foi detectado Seu alcance do sensor é de 2 a 30 cm que pode ser ajustado por meio do potenciômetro Distance Adjust na placa figura 3 4 Possui um ângulo de detecção de 35 graus e sua conexão é macho header 254mm VCC GND Saída Figura 3 1 Sensor de Obstáculo Infravermelho IR L M 393 Fonte INSTITUTO DIGITAL 2017 p1 Figura 3 2 Objeto ao se posicionar em frente ao LED Fonte EPROLABS 2016 P1 Figura 3 3 Componentes eletrônicos do sensor Fonte ROBU 2017 p1 53 S OFTWARE O software que controla os pinos e as ações do Arduino pode ser desenvolvido no programa chamado Arduino IDE figura 38 O Arduino IDE é uma aplicação multiplataforma que além de contar com uma intergráfica simples e intuitiva pode ser escrita em Java derivada dos projetos Processing e Wiring Possuindo uma biblioteca chamada Wiring com capacidade de programar em CC 8 O código a ser embarcado deve estar no formato ino e contar com as seguintes chamadas de procedimento Setup que ajusta as configurações das portas da entrada e saída e a interface USB e loop isto é inclui um editor de código com recursos de realce de sintaxe parênteses correspondentes e identificação automática sendo capaz de compilar e carregar programas para a placa controladora com um único clique Com isso não há a necessidade de editar ou rodar programas em ambientes de linha de comando 15 A versão do software utilizada neste projeto de paletização foi o Arduino IDE 185 e com o auxílio de tutoriais e bibliotecas contribuíram para o desenvolvimento das linhas de comando Figura 3 4 Software Arduino IDE Fonte do autor 54 Programação O algoritmo foi desenvolvido em linguagem CC utilizando a biblioteca de Servo já inclusa na IDE do Arduino e demais funções de variáveis criadas pelos próprios autores O algoritmo desenvolvido pode ser dividido em 5 partes Declaração das variáveis atribuição de variáveis aos sensores e servo motores e mapeamento dos seus respectivos pinos de entrada e saída do Arduino Essas variáveis serão utilizadas ao longo do programa Figura 3 5 Início do código declaração das variáveis Fonte do Autor Posição inicial do braço e da esteira por meio da função void setup foi configurado a posição inicial do braço e da esteira Essa é a posição no momento em que o sistema é ligado Figura 3 6 Função void setup Fonte do Autor Funções de movimento suave Define um valor de início e fim incrementando ou decrementando 1 grau dependo da posição em definida na função void loop E a cada incremento ou decremento de posição é realizado após um tempo de espera entre 10 à 30 ms milissegundos fazendo com que o movimento do braço robótico seja suave Figura 3 7 Parte do algoritmo responsável pelo movimento suave do braço Fonte do Autor Funções de manipulação responsável por dar as posições de origem e destino do braço Nesse projeto foi implementado posição inicial intermediária e final As funções são declaradas antes da compilação do código e serão utilizadas para determinar as posições do braço robótico Figura 3 8 Parte do algoritmo responsável pela manipulação do braço Fonte do Autor Posicionamento do braço e por fim a função void loop E a parte mais importante do código pois é ela que possibilita a escolha das posições em que o braço fará para coletar a peça e transportála até o palete Nesse projeto foi implementado três posições origem destino e centro Figura 39 Parte do algoritmo responsável pela posição do braço Fonte do Autor 6 Análise de Resultados O pro tótipo de paletização automática através do braço robótico atendeu aos objetivos iniciais do projeto apresentando uma estrutura similar ao movimento rápido que permite demonstrar o funcionamento de um processo industrial O projeto desenvolvido possibilitou um conhecimento aprofundado com uma visão ampla de suas aplicações nos ambientes industriais de pequeno porte O projeto desenvolvido permitiu conhecimento para fins didáticos a temas relacionados à Automação A esteira depois de um trabalho árduo na sua confecção e montagem funcionou perfeitamente em conjunto com o projeto A parte eletrônica apresentou perfeitamente todas as condições funcionais e operacionais nos atuadores e sensores Os servos motores executaram o torque ideal sem que tivesse balanço e aquecimento mesmo com a carga preso a garra A fonte de alimentação supriu a corrente necessária para o funcionamento dos componentes do projeto Os comandos desenvolvidos facilitaram o funcionamento do projeto executando com qualidade todas as funções elaboradas durante o trabalho principalmente com a sequência de loop executado com a carga efetuando todos os comandos desde o levantamento transporte e entrega da carga no ponto inicialmente definido Em geral todas as etapas e equipamentos envolvidos corresponderam com as suas expectativas durante o desenvolvimento de todo o projeto 7 Conclusão O projeto de paletização foi concluído de forma positiva obtendo sucesso tanto nos objetivos propostos quanto nos resultados O trabalho desenvolvido honrou com todas as etapas do projeto que envolveu principalmente as áreas da mecânica eletrônica e programação sendo estas executadas uma a uma e posteriormente integradas entre elas formando uma estrutura homogênea Pode ser posto em prática todo o conhecimento adquirido durante o curso de engenharia tevese um comprometimento do s aluno s quanto o desenvolvimento do projeto administra ção d o tempo e a sua execução durante todo o projeto Outro ponto a ser lembrado foi à realização da programação do microcontrolador Arduino pois as noções que se tinha de programação eram básicas exigindo um esforço para compreender a linguagem de programação e suas ferramentas Em geral o Trabalho de C onclusão de C urso auxilia no desenvolvimento de habilidades técnicas atitudes competências individuais e coletivas Puxam para si a responsabilidade e comprometimento atribuições que um engenheiro necessita possuir em seu currículo que certamente serão úteis para sua vida pessoal e profissional 8 CONSIDERAÇÕES FINAIS Sobre o braço robótico podemos dizer que sua parte estrutural atendeu bem a proposta elaborada desde o começo do projeto e o seu sistema de controle o mesmo Durante este projeto foram localizadas algumas dificuldades principalmente por na confecção e montagem da esteira devido à dificuldade em se adaptar matérias reciclados para funcionar em conjunto com o servomotor e nivelamento da esteira visto que o objeto deveria estar sempre centralizado para que fosse possível se coletado pela garra do braço robótico Após a finalização deste projeto é possível sugerir outros tipos de protótipos a partir deste como a inclusão de um sensor de cores RGB para identificação de um objeto com defeito ou com peças faltantes e um junto com um sistema de descarte onde o objeto identificado sairia da linha de coleta para outra esteira onde seria corrigido o defeito Esse é só um exemplo das várias possibilidades na criação de projetos de automatização Cronograma Neste quadro são demonstradas todas as etapas até a conclusão da monografia Quadro 1 Cronograma das etapas do trabalho de conclusão de curso Atividades Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Pesquisa do tema X Definição do tema X Pesquisa bibliográfica X X X X X X Coleta de Dados X X X X X X X Apresentação e discussão dos dados X X X Elaboração do projeto X X X X X X Entrega do projeto X Apresentação do Projeto X Fonte do autor ORÇAMENTO A tabela 6 mostra o custo dos materiais utilizados para este projeto Tabela 6 Análise de custo com o Projeto Materiais Quantidade Preço Unitário R Braço Robótic o 1 un R 60000 Arduino Uno 1 un R 3000 Arduino Shield V5 1 un R 2500 Sensor de Obstáculo 2 un R 2100 Fonte de Alimentação 1 un R 4900 Cabo USB 1 un R 1500 Jumper 1 pct R 4000 Garra do Braço Robótico 1 un R 6700 Organizador de Cabos 1 m R 500 Servos Motores 1 un R 4900 Mini Engradados 1 un R 7000 Mini Palete 1 un R 6500 Arruela 30 un R 500 Parafuso 3x15 mm 4 un R 300 Parafuso 5x60 mm 4 un R 450 Parafuso 45x20 mm 10 un R 400 Parafuso 45x25 mm 12 un R 400 Abraçadeira T50R 1 pct R 1200 Folha Vinílica EVA 1 un R 700 TOTAL R 107550 Fonte do Autor Referências Bibliográficas BELO Marcus Vinicius Projetos Braço Robótico 2016 Disponível em httpwwwmecatronizandocombr201608projetosbracoroboticohtml introdução Acesso em 29 out2017 GARCIA Rafael V Projeto de robô manipulador com cinco graus de liberdade Controlador via interface gráfica e comunicação serial 2013 80f Dissertação de Bacharelado Universidade Federal de São Carlos São Carlos 2013 FERREIRA Erick P ALVES Nicholas LA Braço articulado com controle proporcional de movimento comandado via Bluetooth por um aplicativo desenvolvido para plataformas android 2013 41f Dissertação de BachareladoUniversidade do Vale do Paraíba São José dos Campos 2013 F Piltan et al PUMA560 Robot Manipulator Position Sliding Mode Control Methods Using MATLABSIMULINK and Their Integration into Graduaté Ungraduaté Nonlinear Control Robotics and MATLAB Courses International Journal of Robotic and Automation Volume 6 2012 p106 HORTIBRASIL Paletização Disponível em httpwwwhortibrasilorgbrimagesstoriesbibliotecafaqembresp11htm Acesso em 31 out2017 DINO O que é paletização de cargas 2016 Disponível emhttpwwwdinocombrreleasesoqueepaletizacaodecargasdino890112579131 Acesso em 01 nov2017 ROSÁRIO João Mauricio Princípios de Mecatrônica São Paulo Prentice Hall 2005 FILIPEFLOP Disponível em httpswwwfilipeflopcomblogoqueearduino Acesso em 02 nov2017 CARRARA Valdemir Apostila de Robótica p1418 Joinville Acesso em httpwwwjoinvilleudescbrportalprofessoressilasmatériaisApostiladeRoboticapdf Acesso em 04 nov2017 PIRES J Norberto Robôs Manipuladores Industriais Publico 2002 Disponível emhttpswwwpublicopt20020708jornalrobosmanipuladoresindustriais172517 Acesso em 04 nov2017 SOUZA Geovane M Delgado Martha XT Cruz Thiago X Construção de um Braço Robótico Controlado a Partir de um FPGA 2012 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produtomercadolivrecombrMLB792915987miniaturaspaletecom40blocosmaquetelogisticaJM Acesso em 05 nov2017 MERCADO LIVRE Jumper Arduino httpseletronicosmercadolivrecombrpecascomponenteseletricosjumperarduino Acesso em 08112017 ROBU Sensor Shield V5 Disponível em https robuinproductsensorshieldv5expansionboardarduino Acesso em 02 nov 2017 ROBU IR Sensor Disponível em httpsrobuinproductirinfraredobstacleavoidancesensormodule Acesso em 02 nov 2017 EPROLABS IRCOLLISIONDETECTIONPNG Disponível em httpswikieprolabscomindexphptitleFileIRCollisionDetectionpng Acesso em 02 nov 2017 Group PromotionRobos que batem metas veja a relação da automação Disponível em httpwwwgrouppromotioncomrobosquebatemmetasvejaarelacaodaautomacaoeprodutividade Acesso em 28 nov2017 SANTOS Vítor MF Robótica Industrial Apostila Departamento de Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro Portugal 2004 SILVA Jobson Francisco da Construção e controle inteligente de um manipulador robótico com dois graus de liberdade Natal RN 2012 p 24 Disponível em httprepositorioufrnbr8080jspuihandle12345678915419 Acesso em 29 nov 2017 Porto Gente Palete Conceito Histórico Disponível em httpsportogentecombrportopedia72925paleteconceitohistorico Acesso em 27 nov 2017 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 6023 informação e documentação referências elaboração Rio de Janeiro 2002 a NBR 6024 informação e documentação numeração progressiva das seções de um documento apresentação Rio de Janeiro 2012 a NBR 6027 informação e documentação sumário apresentação Rio de Janeiro 2012b NBR 6028 informação e documentação resumo apresentação Rio de Janeiro 2003 NBR 6033 ordem alfabética Rio de Janeiro 1989 NBR 6034 informação e documentação índice apresentação NBR 10520 informação e documentação citações em documentos apresentação Rio de Janeiro 2002b NBR 12225 informação e documentação lombada apresentação Rio de Janeiro 2004 NBR 14724 informação e documentação trabalhos acadêmicos apresentação Rio de Janeiro 2011 NBR 15287 informação e documentação projeto de pesquisa apresentação Rio de Janeiro 2011 GLOSSÁRIO APC 220 É um módulo de rádio que fornece uma comunicação de dados wireless de longa distância devido seu alcance de até 1000 metros em campo aberto Também é possível ajustar sua frequência de operação entre 418455 MHz e selecionar uma taxa de transmissão de até 19200bps ATMega 328 Microcontrolador de chip único criado pela Atmel utilizado em muitos projetos e sistemas autônomos onde é necessário um microcontrolador simples de baixa potência Bootloader P rocesso de iniciação do computador que carrega o sistema operacional quando a máquina é ligada Bluetooth É uma maneira de se conectar e trocar informações entre dispositivos CC Uma linguagem de programação compilada multiparadigma com o objetivo de desenvolver ações a determinados objetos programa na qual e utilizado por diversas instituições educacionais cientistas e projetistas amadores Driver Software que permite ao sistema operacional usar as funcionalidades de um dispositivo EVA É uma espuma sintética na qual sua composição é formada por etileno acetato de vinila EEPROM É utilizado para implementar comunicação serial com o microcontrolador Feedback Realimentar ou dar resposta a uma determinado pedido ou acontecimento O termo é utilizado em áreas como Administração de Empresas Psicologia ou Engenharia Elétrica Hardware Elementos eletrônicos de qualquer equipamento físico ICSP É um protocolo de comunicação Este protocolo é usado na maioria dos gravadores existentes para a maioria dos microcontroladores Neste protocolo utiliza apenas 05 sinais VDD Alimentação GND Alimentação VPP Tensão de gravação CLOCK Sinal sincronismo e DATA é o dado propriamente dito IR Obstacle LED Quando o objeto passa na frente do Led receptor o led emissor envia um sinal acionando o led indicando que tem um objeto no local indicado Distance Adjust Potenciômetro responsável pela função de regulagem de ângulo IR Receiver Led responsável pela função de acusar que algum objeto esteja presente naquele ponto Jumpers Cabo que realiza a conexão de um ponto a outro Lm 393 Amplificadores operacionais duplos com tensões de alimentação de 2 a 36 V Loop R etorno Mega Outro modelo de Arduino Pallets Estrado de madeira metal ou plástico que é utilizado para movimentação de cargas PCI Ex press É um soquete que realiza a comunicação entre as placas de expansão e a placa principal Pitch Rotação do punho para cima ou para baixo Pulse Pulso Pro cessing Linguagem de programação PWM Sinal ou fontes de alimentação envolve a modulação de sua razão cíclica para transportar qualquer informação sobre um canal de comunicação ou controlar o valor da alimentação entregue à carga Roll Rotação do punho em torno do braço RISC Computador com conjunto reduzido de instruções SD Card Tipo de cartão de memória SPI É utilizado para implementar a comunicação serial com o microcontrolador Software É uma sequência de instruções escritas para serem interpretadas por um computador com o objetivo de executar tarefas específicas SRAM É um tipo de memória volátil de acesso randômico Open Source Hardware São um termo para artefatos tangíveis máquinas dispositivos ou outros objetos físicos cujo projeto foi disponibilizado ao público de modo que qualquer um pode construir modificar distribuir e utilizar estes artefatos USART É utilizado para realizar a comunicação serial com o microcontrolador Yaw Rotação do punho para a esquerda e para direita Watchdog Timer É um dispositivo eletrônico temporizador que dispara um reset ao sistema se o programa principal devido a alguma condição de erro deixar de fazer reset no watchdog timer WIRING Linguagem de programação ANEXO A PINAGEM ATMEGA 328 46