Cabeça falante mecatrônica (MEC584)

Imagine uma cabeça mecatrônica conectada a um circuito que a faz falar. Claro, a cabeça realmente não fala. Um truque envolvendo eletrônica e as habilidades do construtor será o responsável por isso. A ideia é que um circuito mova a boca da cabeça enquanto ela está recebendo som de um receptor de rádio e, neste caso, o som será algo que você ou um amigo falará através de um microfone sem fio. Você ou seu amigo também se esconderão, de modo que as pessoas que observam a cabeça pensarão que ela está falando.

O objetivo deste projeto é construir a cabeça e o circuito que moverá a boca na hora do som captado pelo receptor. Na versão básica, a cabeça é muito simples, mas o gênio do mal, que pode ter habilidades com materiais de construção como plástico, borracha e outros materiais, pode construir uma cabeça com uma clara semelhança com uma cabeça humana. O circuito usa apenas um receptor FM comum e um microfone sem fio, e as partes que movem a cabeça usam muito poucos componentes. Eles podem ser construídos até mesmo pelo leitor que tem pouca experiência com eletrônica.

Você é encorajado a explorar diferentes ideias sobre o uso de sua cabeça falante. Conecte a cabeça a um computador e faça-a falar a partir de um programa gravado no computador. Mude a voz para que soe como uma voz de computador ou robô para adicionar um pouco de realismo robótico ao seu projeto.

Objetivos

• Construa uma cabeça experimental que fale.

• Trabalhe com um circuito que converte sons em movimento ou luz.

• Crie um brinquedo falante.

• Projete um fantasma novo e assustador para o Halloween.

• Estude movimentos e sons.

Como funciona

A Figura 1 mostra o diagrama de blocos para este projeto. Os sons captados pelo microfone sem fio são transmitidos para um pequeno receptor FM portátil que se encaixa dentro da cabeça. Os sinais sonoros consistem em mudanças de frequência e amplitude em uma voltagem. Ajustando o nível de disparo de um retificador controlado por silício (SCR), podemos fazê-lo ligar nos picos dos sinais, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 1 - Diagrama de blocos da cabeça falante mecatrônica.

Figura 2 - Disparando um SCR nos picos do sinal.

Isso significa que as mudanças no nível de voz de uma pessoa que fala no microfone farão com que o SCR seja ligado e desligado. Uma lâmpada conectada ao SCR piscará de acordo com a voz da pessoa. Esta é apenas uma das aplicações do circuito - converter som em luz.

Mas o que esperamos realizar com nosso projeto é mais do que isso. Em vez de usar uma lâmpada, vamos controlar um solenoide preso a um mecanismo que move a boca da cabeça. Quando falamos no microfone, as mudanças no nível da voz empurram e puxam o mecanismo, movendo a boca da cabeça no mesmo ritmo das palavras faladas no microfone. O quão realista a cabeça falante parece dependerá de muitos fatores, como os ajustes, o mecanismo conectado à boca e como o leitor usará sua cabeça falante.

O circuito para converter os sinais captados pelo receptor FM é muito simples porque usamos uma saída feita a partir de um conector de telefone. SCRs como o 106 são muito sensíveis e podem ser disparados diretamente dos sinais presentes na tomada do telefone.

Como construir

Novamente, vamos dividir o projeto em duas partes: (1) a parte eletrônica e (2) a parte mecânica.

Eletrônicos

A Figura 3 mostra o esquema da eletrônica do cabeçote falante mecatrônico.

Como o circuito é muito simples e usa poucas peças, elas podem ser soldadas a uma régua de terminais, conforme mostrado na Figura 4.

Observe que o circuito é alimentado diretamente pela linha de alimentação CA. Nenhum transformador de isolamento é utilizado, portanto, deve-se tomar cuidado para proteger todas as peças contra toques acidentais, evitando riscos de choque.

Uma caixa de madeira pode ser usada para abrigar o circuito e a cabeça pode ser montada nela. Ao montar, tome cuidado com as peças polarizadas, como o SCR e diodos. Como o SCR não alimenta grandes cargas, ele não precisa ser montado em um dissipador de calor. As lâmpadas são de baixa potência, lâmpadas de 5 watts, e o transformador com o solenoide não requer mais de 20 watts. No entanto, se você pretende alimentar cargas mais pesadas, como lâmpadas mais potentes, conecte o SCR a um dissipador de calor.

O transformador de entrada (T1) é qualquer transformador pequeno de baixa tensão com uma bobina secundária classificada para 5 a 12 volts e para correntes na faixa de 150 a 500 mA. A bobina primária é 117 VAC. Este transformador não é usado na função original, que é diminuir a tensão da linha de alimentação CA, mas como um transformador de isolamento e para corresponder aos sinais de áudio da saída do receptor FM.

Figura 3 - O esquema da cabeça falante mecatrônica.

Figura 4 - Montagem usando uma régua de terminais como chassi.

C1 determina a resposta do circuito aos graves e agudos. Ajustar para valores entre 0,047 e 1 pode fornecer o melhor desempenho.

T2 é um transformador com bobina primária de 110 VAC e bobina secundária de 12 volts x 800 mA, de acordo com o solenoide utilizado.

O solenoide X1 é qualquer pequeno solenoide de 6 a 24 volts com uma faixa de corrente de 150 a 500 mA. Solenoides ou motores com 117 VAC também são aceitáveis.

PL1 é um plugue escolhido de acordo com a saída do rádio FM usado como receptor. Normalmente, este seria um plugue mono, mas se o receptor tiver uma saída estéreo, a adaptação mostrada na Figura 5 deve ser feita.

Mecânica

A mecânica básica é muito simples. Claro, o leitor que possui habilidades mecânicas existentes pode optar por atualizar esta versão. Por exemplo, você pode considerar o uso de uma máscara de plástico ou borracha semelhante a uma pessoa famosa e, em seguida, prender o mecanismo para mover sua boca. A Figura 6 mostra uma solução muito simples para a cabeça falante mecatrônica usando papelão, madeira e outros materiais simples.

Figura 5 - Usando um receptor estéreo.

Figura 6 - Construção básica para a cabeça falante mecatrônica.

O núcleo do solenoide move a parte inferior da boca. O ponto exato onde você vai acoplar o núcleo depende da potência do solenoide. Você precisará fazer experiências para encontrar o ponto de acoplamento que oferece o melhor desempenho.

Uma mola é importante para fazer a boca fechar quando o solenoide não está energizado (o som termina). Uma alternativa para a mola, dependendo da potência do solenoide, é um elástico.

Testando e usando

A Figura 7 mostra como as diferentes partes do circuito devem ser conectadas para operação e teste.

Figura 7 Testando e usando.

Primeiro, sintonize o receptor FM para encontrar um ponto livre no dial. Ajuste o microfone sem fio FM para captar o sinal. Coloque o receptor em volume médio para que o ouvinte ou espectador possa ouvir sua voz (a voz da pessoa que fala) alta e claramente. Agora, enquanto fala no microfone, ajuste P1 no circuito da cabeça para fazer com que o solenoide mova a boca. O circuito está pronto para uso.

Faça ajustes no solenoide e na parte mecânica, se necessário, ou altere Ci se quiser que a cabeça fale com tons de baixa ou alta frequência.

Temas cruzados

Qualquer projeto de ensino fundamental ou médio que inclua movimento e fala provavelmente irá cruzar com este projeto. Algumas ideias são fornecidas na lista a seguir:

• Use o projeto para ensinar crianças a soletrar.

• Estude o movimento.

• Veja como os sons podem ser convertidos em movimento e luz.

Novos circuitos e ideias

Este projeto pode ser alterado de várias maneiras. Você não precisa construí-lo exatamente como descrito. Algumas sugestões de alternativas são fornecidas aqui.

Usando um amplificador de áudio

Em vez de enviar a voz para a cabeça por meio de um sinal de rádio, use fios e um amplificador de baixa potência, conforme mostrado na Figura 8. Qualquer amplificador com potência de 100 mW ou superior pode ser usado para ativar o cabeçote. As conexões necessárias são mostradas na figura.

Tome cuidado ao adicionar o resistor limitador de potência de acordo com a potência de saída do seu amplificador. A tabela a seguir fornece o valor aproximado para este resistor. Os valores podem mudar porque muitos amplificadores não são avaliados pela saída de potência real (RMS), mas pela potência de pico (PMPO).

Figura 8 - Usando um amplificador de áudio.

RxNenhum10V x 1 W22 V x 1 W47 V x 2 W100 V x 2 W Usando um solenoide rotativo ou um pequeno motor DC com engrenagensSolenoides rotativos e pequenos motores CC com caixas de engrenagens podem ser usados para mover a boca da cabeça, conforme mostrado na Figura 9. 

A figura mostra como o eixo do motor pode ser usado para produzir movimentos lineares que abrem e fecham a boca. Observe que, para o melhor desempenho, o movimento deve ser feito em baixas velocidades. Usando um motor de 117 VACSe você tem um motor de 117 VAC com uma caixa de redução e um eixo que se move lentamente, você pode usá-lo. A conexão é mais fácil porque o transformador T2 pode ser omitido. Usando o computadorA saída dos alto-falantes de um computador pode ser usada para acionar este circuito, conforme mostrado na Figura 10. Você pode usar a saída juntamente com a entrada de um amplificador de áudio (sugerido anteriormente) e o amplificador para acionar a cabeça. 

 Você pode gravar no computador o que a cabeça vai dizer e até adicionar efeitos sonoros para fazer uma "voz artificial", por exemplo. As frases podem ser ativadas com um toque do teclado ou um clique do mouse. Um pequeno transmissor FMSe você não tem um pequeno transmissor FM para ser usado como microfone sem fio, pode construir um. A Figura 11 mostra o esquema de um transmissor de um transistor que pode enviar os sinais para um pequeno receptor FM a distâncias de até 50 metros. 

 A Figura 12 mostra a placa de circuito impresso (PCB) para este projeto.  

 L1 é formado por quatro voltas de qualquer fio esmaltado de calibre 20 a 28, com diâmetro de 1 centímetro e sem alma.A antena é um pedaço de fio desencapado de 15 a 30 centímetros de comprimento. O circuito com células está alojado em uma pequena caixa de plástico.Usar o transmissor FM é muito simples. Ajuste CV para encontrar um ponto livre na banda FM e fale no microfone. Se os sinais desaparecerem quando você estiver a apenas alguns metros do receptor, encontre outra frequência. Você pode ter encontrado um sinal secundário ou espúrio, não o sinal primário. Se o receptor emitir um assobio forte quando você estiver falando, coloque o microfone mais longe do receptor para evitar o feedback acústico. 

Usando um pequeno transmissor FM

Q1 BF494 ou o transistor RF de silício negativo-positivo-negativo (NPN) equivalente

Microfone elétrico de dois terminais MIC

R1 4,7 k? x resistor de 1/8 watts (amarelo, violeta, vermelho)

R2 Resistor de 10 k? x 1/8 watt (marrom, preto, laranja)

R3 5,6 k? x resistor de 1/8 watts (azul, verde, vermelho)

R4 47 ? x resistor de 1/8 watt (amarelo, violeta, preto)

C1 10 µF x 12 volts Capacitor eletrolítico

C2 4.700 picofarads (pF) Capacitor de cerâmica

C3 4.7 pF Capacitor de cerâmica

C4 0,1 µF capacitor de cerâmica CV Trimmer (15 a 40 pF de capacitância máxima) B1 2 ou 4 células AA e suporte (totalizando 3 ou 6 volts)

L1 Bobina (ver texto)

Uma PCB de antena, caixa de plástico, fios, solda, etc.

 A Tecnologia HojeMuitos laboratórios em todo o mundo, em centros de pesquisa e universidades, estão trabalhando na "cabeça falante" não apenas para uso em robôs ou outras máquinas, mas também para estudar doenças relacionadas à fala humana. No futuro, podemos encontrar essas cabeças falantes em muitos lugares, realmente falando conosco, auxiliados por algum sistema de reconhecimento de voz para que entendam o que estamos dizendo. Ideias para explorarUma cabeça falante ou cabeça mecatrônica pode ser usada em muitos projetos interessantes, como sugerido anteriormente. Você também pode explorar o seguinte:• Adicione um transmissor à cabeça para permitir que a pessoa que está falando ao microfone também ouça o que está sendo dito à cabeça pelos ouvintes, mesmo quando a pessoa que está transmitindo está longe.• Crie um fantasma falante incrível para o seu próximo Halloween usando os mesmos princípios encontrados neste projeto.• Crie um robô controlado por um computador que tenha uma cabeça falante, usando os princípios descritos aqui.