manipulador cartesiano de 3 graus de liberdade

MANIPULADOR CARTESIANO DE 3 GRAUS DE LIBERDADE
Carolina S. Silva – [email protected]
César Rodrigo V. de Menezes – [email protected]
Diego S. Reis–[email protected]
Julio Wolfovitch – [email protected]
UNIFACS
Rua Vieira Lopes, nº. 02- Rio Vermelho
CEP: 41.940-560 – Salvador – Bahia.
Resumo: Este documento apresenta a proposta da equipe “TSONE”, que foi desenvolver um
projeto interdisciplinar proposto pela UNIFACS para o projeto do ARHTE deste semestre.
Optou-se pelo desenvolvimento do manipulador cartesiano de três eixos, que é um robô que
executa movimentos nos eixos “x, y e z”. Para que seja obtidosos movimentos precisos e que
possam ser controlados por computadores foram utilizados motores e passo. A equipe
desenvolveu tal projeto com base em cada bobina do motor, pois assim é possível controlar
com mais facilidade o movimento desejado. Cada bobina é controlada por um transistor que
ao receber sinal da porta paralela, dB-25,conectada diretamente na placa do circuito,
realizará o movimento pré-determinado no software criado pela equipe. Neste artigo está
contida a metodologia utilizada no decorrer da construção do protótipo, além dos resultados
encontrados e conclusões que foram obtidas ao longo do projeto.
Palavras-chaves: UNIFACS, ARHTE, manipulador, transistor.
1
INTRODUÇÃO
O avanço tecnológico está cada vez mais presente no dia-dia da população e com isso vem a
necessidade de uma melhora narelação do ser humano com a máquina. Pensando nisso, a
equipe“TSONE” resolveu desenvolver um protótipo que ajude na utilização das máquinas em lugares
onde a tecnologia e a simplicidade têm que estar unidas.
O manipulador cartesiano de três graus de liberdade tem grande potencial de utilização nas
indústrias de automatização de corte de plasma, manuseio de materiais e no pulsionamento. Com a
utilização desse manipulador, o trabalho fica mais preciso,rápido eviável economicamente. As fábrica
que possuem tais robôs terão um retorno financeiro em curto tempo, pois a otimização e a rapidez
alcançada melhoram os custos.
A movimentação do manipulador se dá através do envio de nível alto para o pino específico da
porta paralela, que ao receber esse sinal, passa corrente em direção à bobina selecionada no software e
isso fará o movimento desejado.
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2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Histórico
Durante o sec. XVIII período em que a automação industrial começava a ser de grande
necessidade para a produção em larga escala dos produtos e a mão de obra artesanal não
supria a demanda, as maquinas começaram a aparecer e fazer parte desse processo produtivo.
Na indústria têxtil, foram implantados os primeiros teares mecânicos. O processo de corte
utilizado antigamente era manual, e com as novas maquinas como, por exemplo, a implantada
por James Hargreaves, o mesmo trabalho poderá ser realizado de uma maneira mais rápida e
precisa. Porem apenas após a criação do computador (1940) foi possível à construção de
equipamentos mais avançados e complexos capazes de facilitar e melhorar ainda mais o
trabalho. O unimates foi o primeiro robô industrial, o qual foi desenvolvido no final da década
de 50 por George Devol e Joe Engleberger. Estes robôs eram manipuladores capazes de
remover objetos de um local para o outro. A partir desse período, os avanços não pararam.
Durante a segunda revolução industrial destacou-se a eletricidade e a química, resultando em
novos tipos de motores (elétricos e à explosão). Mas é na terceira revolução industrial (sec.
XX) com a aplicação de novas descobertas cientificas que a alta tecnologia pode ser notada,
como por exemplo, a informática que cresceu com relação ao desenvolvimento de softwares,
capazes de minimizar o trabalho humano, além da microeletrônica que fabrica chips,
transistores, circuitos eletrônicos, e a internet que possui uma ampla variedade de recursos e
serviços.
Contudo, a criação das primeiras máquinas foi fundamental para o que hoje conhecemos
e consumimos com tanta rapidez e precisão. O avanço tecnológico não vai parar e com ele a
facilidade de trabalho e o viver ficarão cada vez mais por conta das máquinas.
2.2 Metodologia
Baseados no desenvolvimento do robô industrial, o manipulador cartesiano de três graus de
liberdade executa seus movimentos com o auxílio de três motores de passo que realizam
movimentos nos eixos “x, y e z”.
Foram realizadas reuniões, sendo algumas delas com professores que nos orientaram na
elaboração, execução do projeto. Nas reuniões eram discutidas as melhores formas de criação
e os materiais que serão utilizados,além de dúvidas sobre a movimentação e como realizar os
testes dos componentes. Primeiramente íamos desenvolver um braço mecânico, mas com a
sugestão do orientador Sérgio Ricardo, alteramos nosso projeto para o manipulador
cartesiano, o qual se encontra na proposta do ARHTE.
As reuniões foram realizadas na própria instituição com marcação antecipada pela
equipe. Os testes de programação e elétricos foram realizados no núcleo de mecatrônica e
robótica, e a estrutura no núcleo de mecânica aplicada, ambas ministradas com os estagiários
responsáveis pelos laboratórios. Os cortes do perfil de alumínio foram realizados em uma
serralheria, pois a máquina da instituição estava fora de funcionamento.
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Utilizamos o programa Proteus Isis e ares para testar e desenhar nossa futura placa de
circuito. O layout do circuito foi impresso em papel couchê que foi corroído na placa.
Também utilizamos o programa Google sketch up para desenhar em 3D o nosso protótipo.
Para construção do manipulador foram utilizados doze transistor (TIP41C), doze
resistores (330 ohms), doze diodos (ver o modelo), uma placa de circuito impresso,
protoboard para testar os componentes, porta paralela (DB-25) e 17 entradas bournie.
3 FUNCIONALIDADES
3.1Elétrica
Foram utilizados os programas Ares e Isis pra ajudar a ver possíveis erros que poderiam
ocorrer. Foram utilizados doze transistor (TIP41C-Figura 1), um para cada bobina do motor
de passo (datasheet – Figura 2). O transistor é um dispositivo eletrônico que possui três
terminais: a base, o coletor e o emissor. O seu funcionamento é como chave de circuito ou
controlador de tensão, e no nosso projeto foi utilizado pra chavear o circuito quando a porta
paralela enviar o pulso para a base, fazendo o coletor ir para o emissor e assim movimentar o
motor. O motor de passo que atuará no projeto da equipe utiliza 860 mA enquanto que a porta
paralela não suporta tamanha corrente e por isso que vamos utilizar o transistor. No transistor
há o emissor encontra-se no ground, o coletor está associado a um diodo, para a corrente fluir
em apenas um sentido e a base é ligada a um resistor.
(Figura 1 – Datasheet do transistor TIP41C)
3.2Mecânica
Os eixos de um robô ou manipulador cartesiano são acionados por atuadores. Um atuador
converte algum tipo de energia em movimento mecânico. Os três tipos de energia mais
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comuns para acionar os atuadores de um robô são: Pneumática, elétrica e hidráulica.
Utilizamos o elétrico, pois, os hidráulicos possuem elevado torque, adequado para cargas
elevadas, que não é o objetivo da equipe; já os pneumáticos são baratos mais não são
controlados com precisão. Os elétricos além de serem baratos são silenciosos.
Todo manipulador cartesiano tem, em algum ponto da sua estrutura física, um dispositivo
chamado de “efetuador” ou “órgão terminal”, ou seja, um dispositivo fixado no final do
último elo do manipulador e que permite ao robô realizar uma tarefa específica. Os vários
tipos podem ser classificados em duas categorias principais: Garras e ferramentas. O material
utilizado é um tipo de garra, conhecido como gancho.
Esse tipo de órgão terminal foi pensado, no intuito de pegar objetos pequenos para seu
deslocamento dentro do espaço de trabalho do manipulador. Mas, pensando em termos
industriais, pode-se trabalhar com carros e máquinas.
As três primeiras juntas são prismáticas (cada um dos elos tem um movimento de
deslocamento linear em relação ao elo anterior, ou à base no caso do primeiro elo).
- Aplicação: São muito utilizados para cobrir uma grande área livre de obstáculos, sem
movimentos complicados.
- Exemplos: Montagem de carros; Indústria metalúrgica em geral.
- Vantagem: Facilidade de programação.
(Figura 2 – Datasheet motor de passo)
3.3 Cálculos
Com a 1ª Lei de Ohm, Sabe-se que a corrente aplicada em uma resistência é diretamente
proporcional à tensão aplicada no mesmo resistor.
-Resistência (Ohms)
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-Corrente (Ampère)
-Tensão (volts)
O motor de passo que vai realizar o movimento do nosso protótipo, ligado a 12 Volts tem
uma corrente de 0, 86 Ampère, logo sua resistência é:
U=R.i
12=R.0,86
R=13,95Ω
O protótipo tem 3 motores ,logo sua resistência total é: 13,95*3=41,85
Com os cálculos de Denavit-Hartenberg podemos calcular com os ângulos a posição onde
o guincho do projeto se encontra.
(1) Rotação de um ângulo θiem torno de zi-1, para alinhar xi-1 com xi.
(2) Translação de diao longo de zi-1 para fazer xi-1 coincidir com xi.
(3) Translação de ai ao longo de xi para fazer as origens e os eixos x coincidentes.
(4)Rotação de um ângulo θiem torno de xi, para fazer os dois sistemas tornarem-se
coincidentes.
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Logo,
E portanto,
3.4 Tabela
Gastos Equipe TSONE
Transistor
Resistor
Diodo
Perfil de alumínio
Motor de Passo
Entrada Porta paralela
Bornes
Placa de Cobre
Rebite
Parafuso sem fim
Corte do perfil de alumínio
Tarugo circular
Porca para parafuso
Tarugo quadrado
Quantidade
12
12
12
1
3
1
7
1
105
3
1
1
3
1
Preço unidade
Preço total
1,50
0,20
0,40
60,00
5,00
3,00
1,50
3,80
0,04
5,70
52,00
6,15
0,26
7,97
TOTAL
(Tabela 1 – Gastos da equipe)
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18,00
2,40
4,80
60,00
15,00
3,00
10,50
3,80
4,20
17,10
52,00
6,15
0,78
7,97
205,70
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
4.1Conclusão
O objetivo do trabalho é desenvolver um projeto que execute alguma funcionalidade
envolvendo as áreas das engenharias em termos gerais.
O desenvolvimento do projeto ajuda a melhorar a compreensão dos conceitos estudados
em sala. A execução do mesmo foi feita de forma experimental, onde os erros e acertos
ajudaram para uma melhor qualidade do projeto. Também foi verificado que a teoria nem
sempre é muito precisa na prática, pois há agentes que são desconsiderados e que mudam o
resultado final.
A construção do manipulador fez enriquecer os nossos conhecimentos sobre eletrônica e
mecânica, bem como o aperfeiçoamento das mesmas. Também foi possível perceber que o
trabalho em equipe ajuda de forma enriquecedora a execução do projeto.
4.2 Resultado
O projeto engloba os princípios e fundamentos do projeto ARHTE e ao mesmo tempo, em
escalas maiores, facilitar e agilizar o trabalho de indústrias.
A idealização do projeto foi que houvesse união entre a tecnologia e a simplicidade,
possibilitando a empresa que precisa do equipamento uma melhor qualificação e um maior
lucro.
Obteve-se o projeto pronto dentro do prazo previsto pela equipe. Os materiais referentes à
placa de circuito foram devidamente utilizados e a elaboração do software foi planejada e
testada com a ajuda de professores disponíveis. Para um resultado mais seguro, os motores de
passo foram devidamente testados.
4.3 Agradecimento
Agradecemos a todos os profissionais que estão ligados diretos ou indiretamente ao projeto
ARHTE da universidade Salvador – UNIFACS por dar apoio e suporte ao desejo de
construção do protótipo. Agradecemos também aos amigos e aos familiares que nos ajudaram
bastante na execução do projeto e em especial a equipe New Genius que nos ajudaram
bastante na trajetória do ARHTE.
5 REFERÊNCIAS
AUGUSTO
BISQUOLO,
Paulo.
Leis
de
Ohm.
Disponível
em:http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u46.jhtm Acessado em 16 de Julho de 2011.
ProjetoInterdisciplinar ARHTE.
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Datasheet do Transistor TIP41C. Disponível em:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/WINGS/TIP41.pdfAcessado em 15 de agosto de
2011
Datasheet do motor de passo. Disponível em:
http://www.eminebea.com/content/html/en/motor_list/pm_motor/pdf/pm55l048.pdfAcessado
em 15 de agosto de 2011
Porta paralela controle de dispositivos e monitoramento de dados. Disponível em:
http://www.jobtecltda.com.br/paralela/paralela.htm. Acessado em: 27 de agosto de 2011
SANTOS FERNANDES, Victory. Funcionamento do motor de passo. Disponível em:
http://www.igara.com.br/victory/curriculo.html
Acessado em 15 de julho de 2011.
ROGÉRIO MESSIAS, Antônio. Tudo sobre porta paralela . Disponível em:
http://www.rogercom.com/pparalela/introducao.htm
Acessado em 3de agosto de 2011
GABRIEL CAPUANO, Francisco; V IDOETA, Ivan. Elementos de Eletrônica Digital.
Editora Erica, 2001
CARTESIAN MANIPULATOR IN THREE DEGREES OF FREEDOM
Abstract: This document proposed the team “TSONE” which was developed by an
interdisciplinary proposed for the UNIFACS to project ARHTE this semester. We chose the
development of manipulated three Cartesian axes, which is a robot that performs motion axes
“X, Y and Z“. In order to obtain the precise movements that can be controlled by computers
were used and step motors . The team developed this project based on each coil of the motor
so it can easily control the desired movement. Each coil is controlled by a transistor that
receives the signal from the parallel port, DB-25, directly connected to the circuit board,
perform the predetermined movement in the software created by the team. This article is
contained in the methodology usedduring the construction of the prototype and the results
and conclusions that were obtained during the project.
Keywords: UNIFACS, ARHTE, manipulative, transistor
ProjetoInterdisciplinar ARHTE.
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