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Usando Blocos Básicos em Projetos de Robótica (MEC321)

Este texto foi obtido em uma edição inicial do meu livro Robotics, Mechatornics and Artificial Intelligence publicado nos Estados Unidos (*). Os upgrades foram feitos usando novas tecnologias. Este artigo ensina como usar blocos básicos para criar projetos mecatrônicos, robóticos e de automação.

 

(*) Uma nova edição em português, em espanhol e em inglês está sendo preparada com a finalidade de atender as modificações impostas no ensino de tecnologia no nível médio pelo BNCC (Base Comum Curricular) de 2018 e pelo STEM do programa americano semelhante aprovado em 2015 e analisado desde 2009.

 

   Como dissemos na introdução (artigo anterior MEC320), a idria básica do livro original foi descrever blocos básicos de construção eletrônicos para cada uma das muitas funções que podem ser usadas em um projeto envolvendo robôs e dispositivos mecatrônicos. Com o entendimento de como cada bloco básico funciona e como ele pode ser acoplado a outros blocos, o leitor pode compreender toda a operação de um mecanismo existente ou criar uma máquina original.

   Como mencionado, o número de blocos e suas funções dependem da tarefa que o leitor pretende que a máquina execute. Ao usar os blocos básicos, o designer deve ter em mente alguns pontos importantes.

Conectividade Os blocos devem ser projetados de modo a permitir que eles sejam interconectados sem problemas. Isso significa que o sinal originado pela saída de um bloco deve ser compatível com as necessidades de entrada de outros blocos incluindo microcontroladores. O livro leva isso em consideração, e a maioria dos circuitos pode “conversar” uns com os outros, pois eles têm características compatíveis.

Compatibilidade. O projetista de robótica e projetos de mecatrônica deve estar atento ao fato de que o bloco que ele pretende usar para uma tarefa específica deve realmente ter a capacidade de fazê-lo. Um bloco que pode controlar apenas 1 A em uma carga não pode ser usado para controlar uma carga de 2 A. O projetista deve ter certeza de que o bloco usado para controlar uma pinça possa extrair a corrente necessária para acioná-lo.

Consumo de energia. Se o projeto for alimentado por uma bateria ou célula, é importante determinar se a bateria pode realmente fornecer corrente suficiente para todos os blocos. Motores, atuadores e outros transdutores são os responsáveis pela maior parte do consumo de energia em projetos de mecatrônica e robótica.

   O principal problema ocorre quando todos os transdutores e atuadores são ativados ao mesmo tempo. O dreno de alta corrente pode causar uma queda de tensão grande o suficiente para afetar a operação de todo o sistema. É uma boa ideia usar fontes de alimentação independentes para cargas de alta corrente (como motores, garras e atuadores) e circuitos eletrônicos.

   Se o circuito for alimentado pela rede de energia CA, as mesmas precauções serão válidas: use uma fonte de alimentação grande o suficiente para suportar todos os dispositivos que precisam ser alimentados. Também é uma boa ideia usar uma fonte de alimentação para motores, atuadores e outras cargas pesadas, e outra para alimentar os circuitos eletrônicos.

 

Projetos sugeridos

   Neste ponto, o leitor deve estar pronto para conceber um primeiro projeto em mecatrônica ou robótica e comprometer a ideia ao papel. As funções que sua máquina terá, e o que você pretende fazer, podem ser definidas usando blocos básicos, como os que já discutimos. Usando os blocos básicos mostrados pela Figura 1 você pode projetar uma máquina funcional.

 

Figura 1 Os blocos são agrupados para formar um projeto completo.
Figura 1 Os blocos são agrupados para formar um projeto completo.

 

 

Braço Automático

   Este projeto mecatrônico simples consiste em um braço robótico ou mecanismo que pode pegar objetos de um lugar e colocá-los em uma cesta ou outro local, como sugerido pela Figura 2. A configuração básica em blocos é mostrada na mesma figura e inclui os seguintes itens: funções:

 

Figura 2 Diagrama automático de braço e bloco.
Figura 2 Diagrama automático de braço e bloco.

 

- Controle. Obtendo informações de um teclado ou de um joystick.

- Atuador. Movendo o braço e a pinça. Uma alternativa para a pinça em um projeto simplificado é o uso de um eletroímã, se os objetos a serem movidos puderem ser atraídos por ele.

- Sensor. Opcionalmente, podemos enviar informações ao operador, como se o cesto está vazio ou cheio, se há obstáculos e se o objeto cai antes de ser colocado no cesto.

- Fonte de alimentação.

- Efeitos. Efeitos luminosos ou sonoros podem ser adicionados; uma luz pode piscar ou um contador pode ser aumentado quando o objeto cai na cesta.

 

Figura 3 - Braço robótico de plástico; pinça pode ser usada em muitos projetos
Figura 3 - Braço robótico de plástico; pinça pode ser usada em muitos projetos

 

 

Robô Caminhante

   Este é certamente o mais atraente entre todos os projetos que os projetistas de robótica e mecatrônica podem adotar. A Figura 4 mostra os blocos básicos para formar esse tipo de robô. Suas funções são as seguintes:

 

Figura 4 - Robô ambulante, blocos básicos de construção.
Figura 4 - Robô ambulante, blocos básicos de construção.

 

 

- Controle. Os sinais para este bloco podem ser enviados pelo operador (via rádio controle, link IR ou cabo), ou podem ser gerados por sensores acionados pelo sistema em movimento (motor, rodas, trilhos ou pernas). Se o robô tiver outras partes móveis (por exemplo, braços ou cabeça), elas podem ser controladas por este bloco.

Cérebro. Alguma inteligência pode ser adicionada com a ajuda de sensores. O robô pode tomar algumas decisões independentemente do operador, se usarmos um bloco lógico para essa tarefa.

- Sensores. Os sensores podem informar o operador sobre a presença de obstáculos e instruir o cérebro a tomar as decisões necessárias.

- Atuadores. Este robô pode ser equipado com um punho ou outro atuador para mover objetos. Uma “mão artificial” pode ser adaptada de brinquedos como o mostrado na Figura 5.

- Efeitos. Efeitos de luz e som podem ser adicionados a este robô. Um gravador de áudio de estado sólido pode ser usado para fazê-lo falar algumas palavras ou enviar algum tipo de mensagem de aviso enquanto estiver andando. Os efeitos são muito importantes para que o robô seja demonstrado em feiras, exposições públicas ou concursos escolares.

- Potência. Este tipo de robô é alimentado por baterias.

 

Robô - segue a linha

   Um projeto interessante e clássico é o robô "follow-the-line". É equipado com LDRs ou fototransistores como sensores em uma configuração diferencial “inteligente”, conforme mostrado na Figura 5.

 

Figura 5 - Configuração do robô
Figura 5 - Configuração do robô "Follow-the-line"

 

Os sensores de luz são excitados pela luz refletida por uma linha branca traçada no solo, de tal forma que o circuito de controle do robô pode direcioná-lo para seguir a linha, como sugerido pela Figura 6.

 

Figura 6 - Sensores de linha “veem” a linha, controlando o robô
Figura 6 - Sensores de linha “veem” a linha, controlando o robô

 

 

Na versão básica, a linha forma um loop fechado, mas o designer pode adicionar alguns outros blocos sensoriais para fazê-lo procurar a linha e segui-la quando encontrada.

Os blocos básicos para este robô são:

- Sensor. Você pode usar LDRs ou fototransistores.

- Controle. Este bloco é operado diretamente a partir de sinais do sensor ou do bloco de inteligência.

- Inteligência. Este bloco é formado por um comparador neural que detecta e compara a luz captada pelos sensores.

   Poder. Uma bateria é a melhor solução, mas, para fins experimentais em um protótipo leve, as células comuns são adequadas.

 

Figura 7 - Braço robótico de plástico; pinça pode ser usada em muitos projetos
Figura 7 - Braço robótico de plástico; pinça pode ser usada em muitos projetos

 

 

- Efeitos. Efeitos de luz e som podem ser adicionados se o leitor considerar importante.

 

Elevador automático

   O elevador automático é outro projeto clássico em mecatrônica e automação. Como mostra a Figura 8, ela é formada criando um modelo de um prédio com um elevador. O número de andares pode ser de até dez em um projeto típico.

 

Figura 8 - O elevador automático
Figura 8 - O elevador automático

 

 

O objetivo do projeto é a operação automática usando sensores em cada andar. Um teclado é usado para chamar o elevador para um andar específico, e um bloco de inteligência pode ser adicionado se quisermos tomar decisões especiais. Este bloco pode fazer o elevador “decidir” qual andar atender primeiro se duas chamadas forem feitas ao mesmo tempo. A decisão depende do andar em que está localizado naquele momento. O elevador automático pode ser projetado usando os blocos mostrados na Figura 9.

 

Figura 9 Blocos de construção do elevador automático.
Figura 9 Blocos de construção do elevador automático.

 

 

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