DINÂMICA DE UM ARACNÍDEO IMPLEMENTADA EM UM ROBÔ Turíbio ...

DIN?MICA DE UM ARACN?DEO IMPLEMENTADA EM UM ROB?

Tur?bio Jos? dos Santos1, Paulo Marcos Silva2, Kledermon Garcia3, Luis Filipe Wiltgen Barbosa4

1,2,4LRA/FEAU/UNIVAP ? S?o Jos? dos Campos ? SP 1tur?bio@.br, 2paul_inho@.br e 4wiltgen@univap.br

3IAE/CTA ? S?o Jos? dos Campos ? SP 3kleder@iae.cta.br

Resumo - Este artigo tem por objetivo, ampliar o conhecimento de forma b?sica sobre a constru??o de rob?s aut?nomos e com pernas. Nesta primeira vers?o ser?o utilizados tr?s servo-motores em cada "perna", que ser?o respons?veis pela locomo??o e flex?o do conjunto, no qual cada conjunto completo ? formado por seis pernas. A estrutura ser? confeccionada com alum?nio com caracter?sticas de um aracn?deo. O projeto tem um car?ter multidisciplinar, visando inclusive o estudo da din?mica de uma aranha andando a fim de que o rob? possa ser programado para se deslocar de forma similar a este inseto.

Palavras-chave: Rob?, rob?tica, microcontroladores, din?mica de aracn?deos, sensores. ?rea do Conhecimento: III Engenharias

Introdu??o

H? muito tempo m?quinas chamadas de rob?s vem sendo constru?das pelo homem. Utilizadas nas mais diversas aplica??es, que v?o desde apoio a atividades humanas, como, por exemplo, recuperar os martelos arremessados pelos atletas nas olimp?adas de Pequim na China em 2008. Assim como, retirar e desarmar artefatos b?licos explosivos, como no caso dos rob?s utilizados pelas policias na Europa e Estados Unidos da Am?rica, ou seja, toda vez que o ser humano precisa fazer algo de dif?cil acesso, ou que ponha em risco a vida humana, os rob?s s?o a melhor escolha para a substitui??o do homem (GROOVER, 1988).

Estes aparelhos podem ser classificados pelos modos de opera??o em tr?s categorias: aut?nomos, semi-auton?mos e teleoperados.

Destas categorias a mais comum ? a dos rob?s teleoperados no qual ? fundamental a presen?a do humano para controlar os movimentos. Entretanto, espera-se que no futuro a grande maioria de rob?s seja aut?noma, no qual o rob? pode operar sem interven??o humana, para isso os rob?s devem possuir a capacidade de verificar o ambiente a sua volta, e interagir de forma a executar tarefas pr?programadas, ou absorver informa??es conforme seu tempo de funcionamento.

Neste artigo ser? apresentado o desenvolvimento de uma das m?quinas mais complexas desenvolvidas no Laborat?rio de Rob?tica & Automa??o (LRA) da Engenharia El?trica da Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo (FEAU/UNIVAP). Este rob? possui muitas formas de implementar os

movimentos de deslocamento, dado a grande quantidade de motores que permite que cada perna tenha tr?s graus de liberdade. Isto faz com que o rob? possa ser programado com muitas caracter?sticas din?micas similares as dos aracn?deos.

Metodologia

No desenvolvimento do sistema rob?tico as pe?as foram confeccionadas conforme as defini??es do projeto simulado digitalmente. Neste projeto foi definido que o material a ser utilizado seria o alum?nio, dado sua facilidade de usinagem na confec??o das pe?as. Este material ainda tem a grande vantagem de ser leve suficiente para a manter a rigidez mec?nica necess?ria para a constru??o das pe?as do rob?.

Os motores utilizados nesta m?quina s?o do tipo CS-12, HOBBICO, pois seu tamanho, torque e velocidade, s?o essenciais para a agilidade necess?ria para os movimentos esperados para este aparelho.

O sistema de controle utiliza um PIC 16F877A MICROCHIP (SOUZA, 2003), devido aos perif?ricos dispon?veis neste microcontrolador atendendo todas as necessidades do projeto.

Um dos principais par?metros ? a quantidade de portas de entrada/sa?da e capacidade de mem?ria, que possibilita e facilita escrever todo o programa de controle (firmware) na linguagem Basic PICBASIC PR? (HELLEBUYCK, 2003).

Para a grava??o do microcontrolador PIC16F877A, foi utilizado o programa IC-PROG e o gravador do microcontrolador, que foi confeccionado no laborat?rio, via utiliza??o de um

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projeto de baixo custo, conforme dica obtida no tutorial de utiliza??o de microcontroladores PIC (EDUTEC Bauru, 2007).

O projeto estrutural do rob? foi ? primeira parte desenvolvida na m?quina. Dado sua grande complexidade exigiu muita dedica??o e trabalho durante todo seu desenvolvimento e confec??o.

A base do rob? prot?tipo foi confeccionada com duas chapas de alumio, com 3 mm de espessura, recortes id?nticos e formas bem trabalhadas.

Primeiramente desenhou-se as pe?as no software e depois de finaliz?-las, as mesmas tiveram-se os aspectos f?sicos que podem ser visualizados na Figura 1.

Figura 2 ? Parte superior da perna do rob? A parte inferior seguiu a mesma tend?ncia de

trabalhar com chapas paralelas e design arrojado, o que proporcional uma boa est?tica.

A parte mais extrema da pata do rob?, que fica em contato com o solo n?o possui motor, mas est? diretamente ligada na estrutura anterior da pata que possui o rob? respons?vel pelo movimento, assim como pode ser verificada na Figura 3.

Figura 1 ? Desenho da base de sustenta??o do rob?

A Tabela 1 cont?m as dimens?es que foram utilizadas para a constru??o da base desta estrutura do rob?.

Tabela 1 ? Caracter?sticas gerais da base

Par?metros Comprimento Altura Largura Peso

Medidas 300 mm 180 mm 150 mm 0,515 kg

A parte superior da perna foi projetada utilizando-se placas de alum?nio colocadas paralelamente, formando uma composi??o no qual o motor fica alojado entre as duas placas, o que facilitou muito a fixa??o do servomotor (Figura 2).

Figura 3 ? Extremidade da perna do rob?

Para os testes pr?ticos foi montada uma das pernas do rob?, a qual pode ser verificada na fotografia do conjunto completo, como pode ser visto na Figura 4.

Figura 4 ? Fotografia com o conjunto da perna montado (parte superior e parte inferior)

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Na Tabela 2 est?o as dimens?es que foram utilizadas para a constru??o do conjunto das pernas. Tabela 2 ? Caracter?sticas gerais dos conjuntos de pernas.

Par?metros Comprimento Largura m?xima Peso

Medidas 180 mm 40 mm 0,140 kg

Ap?s a conclus?o dos desenhos de todas as pe?as, pode-se utilizar um recurso do programa utilizado (Solid Edge (UNIMEP, 2008)) para o projeto do rob?, que permite verificar visualmente a montagem completa do conjunto, formando uma estrutura virtual simulada do rob?, conforme pode ser visualizado na Figura 5.

Figura 5 ? Simula??o e desenhos para os testes e fabrica??o das pe?as do rob?

Na Figura 6, ? poss?vel observar as partes estruturais, ap?s a confec??o e montagem das partes mec?nicas que comp?em o rob?.

Figura 6 ? Fotografia do primeiro prot?tipo do rob? montado para testes

Na Tabela 3 s?o apresentadas as medidas finais referentes ?s dimens?es do prot?tipo desta m?quina. Tabela 3 ? Caracter?sticas gerais do prot?tipo montado.

Par?metros Comprimento Largura m?xima Numero de motores Altura Peso

Medidas 300 mm 480 mm 18 unidades 180 mm 1,35 kg

Resultados

Durante os primeiros testes, o projeto n?o funcionou conforme o esperado e alguns ajustes foram necess?rios principalmente na programa??o. Depois do rob? se movimentar, algumas melhorias poderiam ser implantadas, aumentando a estabilidade e velocidade no movimento, proporcionando uma melhor semelhan?a ao movimento t?pico de uma aranha.

O movimento das pernas que simulam um passo completo do rob? aranha est? demorando cerca de 2 segundos, por?m este tempo pode ser variado de acordo com os par?metros de tempo utilizados na parte de programa??o.

Foi adaptado no prot?tipo uma chave que simula o efeito de um sonar e durante os testes foi observado que os movimentos "para frente e para tr?s", j? est?o funcionando corretamente.

Durante os teste foi utilizado uma fonte externa de 5V e 1A, por?m ficou caracterizado que a capacidade de corrente da bateria que ser? utilizada na autonomia ao rob? deve ser tem maior, uma vez o consumo de cada servomotor pode chegar at? 300 mA.

Este rob? utiliza 18 servomotores. Entretanto, a cada deslocamento ser?o exigidos o funcionamento de apenas nove servomotores, ou seja, o funcionamento de tr?s pernas. No in?cio do funcionamento do rob?, ser? exigida uma corrente el?trica de 3.600 mA, pois 12 servomotores estar?o fazendo o movimento de erguer a base do rob? para iniciar o seu deslocamento.

Discuss?o

Em rela??o ?s pernas, todas tem o mesmo movimento, s? que cada uma ter? o seu tempo de acionamento diferente, pois ao serem acionadas isoladamente possam representar o movimento t?pico de uma aranha.

Outro problema esta no sincronismo dos movimentos das pernas, o que causava colis?es. Entrtanto, algumas adapta??es na l?gica da

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programa??o possibilitou o acionamento como esperado.

Outro inconveniente foi o fato de alguns motores apresentarem defeito no conjunto das engrenagens de redu??o, uma vez que o motor especificado deveria suportar o peso m?nimo de 2,5 kg/cm?.

Ap?s a verifica??o da fragilidade dos servomotores utilizados, foi acrescentado um ponto de apoio entre a estrutura de suporte, no qual fica localizado o servomotor, e a parte inferior da pata (como pode ser visto na Figura 2) que fica ligada a base estrutural.

Conclus?o

Para o desenvolvimento desta m?quina tevese que buscar novos conhecimentos, principalmente nas partes referentes ? programa??o e desenho t?cnico assistido por computador.

A constru??o e testes finais devem ser realizados em breve possibilitando inclusive testar mais de uma forma de controlar as pernas do rob?.

A id?ia principal ? obter um aparelho que possa se deslocar de forma r?pida e com caracter?sticas visuais de um ser biol?gico. Possibilitando o estudo deste tipo de rob? para funcionamento em ambientes de dif?cil deslocamento, como o que ocorre em florestas e escombros de constru??o civil.

O primeiro prot?tipo est? constru?do, e em testes. Problemas com motores foram identificados e solucionados conforme as possibilidades de mudan?a na estrutura mec?nica existente.

Existe tamb?m, a possibilidade de construir o novo prot?tipo ainda este ano, utilizando pe?as r?gidas usinadas diretamente em uma chapa de 10 mm de espessura, utilizando pe?as fresadas. Isto possibilitar? ajustar de forma melhor a fixa??o dos motores nas patas do rob?, tornandoos mais resistentes e menos suscept?veis ao cisalhamento nas engrenagens internas.

Agradecimentos

Os autores agradecem a empresa Novelis do Brasil Ltda pelo apoio ao Laborat?rio de Rob?tica & Automa??o da FEAU/UNIVAP com o fornecimento de alum?nio para a constru??o desta linha de rob?s experimentais.

Refer?ncias

tm .Acesso em 17 Nov. 2007.

. Acesso em 28 Abr. 2007.

. Acesso em 20 Out. 2007.

. Acesso em 21 Jul. 2007.

. Acesso em 26 Jan. 2008.

e_v17/Modulo_6.pdf. Acesso em 15 Dez. 2007

GROOVER, M. P., et. al. Rob?tica: Tecnologia e Programa??o. S?o Paulo: McGraw-Hill, 1988. 401p.

SOUZA, D. J. Desbravando o PIC. 5. ed. S?o Paulo: ?rica, 2002. 197p.

HELLEBUYCK, C. Programming PIC Microcontrollers with PICBASIC, Newnes, 2003.

MACHADO, R.S.; SANTOS, S.V.; BARBOSA, L.F.W.; Desenvolvimento de um Rob? B?pede controlado pela porta USB. In: X Encontro Latino Americano de Inicia??o Cient?fica, 2007, S?o Jos? dos Campos, SP. Anais. S?o Jos? dos Campos: UNIVAP, 2007. 1 CD-ROM.

FREIRE, M.L.; PEREIRA, R.F.O.; BARBOSA, L.F.W.; Desenvolvimento de um Rob? B?pede Capaz de Fazer Curva. In: X Encontro Latino Americano de Inicia??o Cient?fica, 2007, S?o Jos? dos Campos, SP. Anais. S?o Jos? dos Campos: UNIVAP, 2007. 1 CD-ROM.

GARCIA, K.; PAIVA., L.L.; BARBOSA, L.F.W.; Desenvolvimento de um rob? multi-tarefas. In: X Encontro Latino Americano de Inicia??o Cient?fica, 10, 2007, S?o Jos? dos Campos, SP. Anais. S?o Jos? dos Campos: UNIVAP, 2007. 1 CD-ROM.

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