APS Robo Basquete 2017

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Robô de basquete
São Paulo
2016
Robô de basquete
Trabalho da atividade prática supervisionada, apresentado à Universidade Paulista, como exigência de conclusão do quinto semestre da graduação em engenharia mecânica.
Orientador: Dr. André Ricardo M. Pinheiro
São Paulo
2016
RESUMO
Vários desafios nos são colocados dentro da graduação em engenharia mecânica. A cada semestre devemos produzir projetos teóricos e práticos, multidisciplinares, com o intuito de desenvolvermos habilidades que serão necessárias após nossa formação. O jogo de basquete entre robôs é um grande desafio para colocarmos em prática o que aprendemos, ao mesmo tempo em que devemos pesquisar e buscar novas formas de aplicar tais conhecimentos, devemos pensar na mobilidade, velocidade, e estabilidade do robô, ao mesmo tempo criarmos maneiras de pegarmos e arremessarmos a bola para uma cesta. Este trabalho é um projeto prévio deste robô, que participará de um jogo, onde o vencedor será aquela equipe que realizou maior pontuação.
Palavras-chave: engenharia mecânica, basquete, projeto mecânico, desenho técnico.
ABSTRACT
Several challenges into a mechanical engineering graduation are given to us. Every half-year we should produce theoretical and practical projects to develop our skills and knowledge that we may need after the graduation period. The basketball game between robots is a huge challenge to mechanical engineering students and we must put in practice all learnership we got among the years of study, and introduce new researches and ways to put all these knowledge in a mechanical project. In a basketball competition our project should be quick, stable, and agile to catch/throw a ball in its target. This project is a preview of the basketball robot that we will produce in next months and can be changed if necessary.
Key-words: mechanical engineering, basketball, mechanical project, technical design 
SUMÁRIO
Introdução.........................................................................................................	6
Objetivos............................................................................................................	7
Projeto Conceitual.............................................................................................	8
Requisitos...................................................................................................	8
Identificação das funções...........................................................................	8
Identificação das soluções.........................................................................	8
Projeto Básico..................................................................................................	9
Estrutura.....................................................................................................	9
Alimentação de energia..............................................................................	10
Esquema elétrico e ligações........................................................................	10
Motor..........................................................................................................	11
Controlador remoto....................................................................................	11
Arduíno.......................................................................................................	11
Ponte H.......................................................................................................	11
Sistema de controle.....................................................................................	12
Locomoção do robô....................................................................................	12
Códigos de programação..................................................................	13
Cálculos............................................................................................	15
Conclusão..........................................................................................................	17
Referências bibliográficas.......................................................................................	18
Anexo A – Projeto detalhado
Introdução
Dentro do curso de engenharia, o estudante deve aprender como gerenciar e criar soluções para problemas pontuais ou abrangentes. Semestralmente, dentro da nossa universidade, é proposto um trabalho entre grupos que estimula o aprendizado, a liderança, a competição, e a trabalhar com certos desafios que encararemos após a graduação.
E neste primeiro semestre de 2017, nos foi proposto projetar um robô, controlado remotamente, que jogará basquete em dupla contra outros alunos do curso de engenharia. 
Atividades como esta são fundamentais para o aprendizado e para colocarmos em prática ensinamentos teóricos que tivemos nos semestres anteriores. A cada projeto/trabalho semestral o aluno deve demonstrar seu desenvolvimento pessoal e profissional, além de uma evolução em seus conhecimentos dentro do que é esperado para um graduando de engenharia mecânica.
Objetivos
Os objetivos deste trabalho são projetar, desenhar e construir um robô que seja capaz de jogar basquete, seguindo as normas internacionais de competição de robôs baseado no material traduzido pela equipe da Robocore (manual de atividades práticas supervisionadas). 
Trata-se de um trabalho acadêmico interdisciplinar, pois, para a finalização do projeto usaremos os conhecimentos adquiridos em matérias como eletricidade básica, ciência dos materiais, fabricação mecânica, resistência dos materiais, assim como conhecimentos que vão além da mecânica.
Projeto Conceitual
3.1. Requisitos
Os robôs são padronizados conforme norma postada pela UNIP, e suas dimensões são:
Base de 25 cm2 
Peso máximo: 5 kg
Sem limite para altura
Os robôs podem ter mecanismos para levar a bola à cesta, e estes mecanismos não precisam respeitar as dimensões máximas estipuladas. Eles devem ser movidos por motor elétricos e baterias, e a tensão da bateria limitada a 48 V. Devem ser controlados por sistema de rádio, com frequências de 75 MHz, 900 MHz ou 2.4 GHz.
Não pode ter nenhum dispositivo que destrua ou danifique os robôs adversários.
3.2. Identificação das Funções do Robô
Em uma competição podemos ter diversas táticas para obtermos a vitória. Desenvolvemos e desenhamos um projeto de robô que seja ágil e com boa mobilidade. O robô deve andar para frente, para trás, e ao redor do seu centro de massa. Ele deve ser resistente a colisões, e ter boa estrutura para pegar a bola – que pesa em torno de 56 g –, e levar até a cesta.
A cesta tem uma altura de 30 cm, e devemos conseguir levar a bola até ela sem perder o contato dela.
3.3. Identificação das Soluções
Nosso projeto tem a finalidade de obtermos um robô rápido e leve, bem abaixo dos 5kg permitidos. Neste projeto inicial temos uma altura máxima de 40 cm, feito de uma estrutura com baixa densidade. Tentaremos, no projeto final, aumentar a altura dele para 60 cm, e aumentaremos o peso do chassi e das estruturas ligados a ele para deixar o centro de gravidade dele mais próximo do chão, pensando em aumentar sua estabilidade e diminuindo a chance de tombar.
Decidimos projetar nosso robô com 4 motores, sendo um motor para cada roda. Destes, os motores das rodas à direita trabalharam em série, assim como os motores da roda esquerda. O acionamento do controle remoto e o movimento do robô serão discutidos no detalhamento do projeto.
O arduíno receberá o comando do controle remoto via um receptor. Serão utilizadas duas pontes H, sendo uma delas para comandar os 4 motores das rodas, e a outra para comandar um motor que fará a garra subir e descer em um pino. 
O receptor também enviará informações para um motor micro servo que comandará a abertura da garra para pegar a bola. Esse comando não tem necessidade de passar pelo arduíno e ponte H. Ele será transmitido diretamente do receptor para o motor. A garra abrirá coma ação do servo motor, e fechará com auxílio de uma mola e o motor desligado. 
Projeto Básico
Os desenhos a seguir foram desenvolvidos no programa da Siemens, Solid Edge. Todos os desenhos, com suas legendas e materiais utilizados estão no apêndice A.
4.1. Estrutura 
Projetamos nosso robô com um eixo central, onde a garra subirá e descerá comandada por um motor ligado ao arduino. A garra funcionará através de um servo-motor para abrir, e fechará por ação de molas. 
O chassi e a parte estrutural do elevador serão construídas em alumínio. O eixo central utilizaremos aço carbono ASTM A36, enquanto a carenagem e a garra serão impressas utilizando ABS.
Figura 1 - Vista isométrica do projeto com e sem carenagem
Os desenhos de conjunto, vista explodida, tolerâncias e montagens estão em anexo com todos detalhes em A3.
4.2 Alimentação de energia 
Depois de pesquisarmos o que havia no mercado decidimos utilizar a bateria Zippy 7,4 V 20C Series para a alimentação da parte elétrica do robô. Utilizaremos, inicialmente três baterias, o que pode ser modificado na montagem e testes futuros.
Especificações da bateria:
Tensão: 7,4 V
Corrente: 1600mah
Massa: 100g
Medida: 155 x 44 x 23 mm
Células: 2 unidades
4.3 Esquema elétrico e ligações 
O esquema elétrico do projeto será constituído de um receptor que tem como função receber os sinais que são emitidos pelo transmissor, um arduíno cuja principal finalidade será enviar e receber informações do circuito, 2 pontes H que irão controlar o sentido da rotação dos motores fazendo os girar para direita e para a esquerda, e outra para comandar o movimento axial da garra. Utilizaremos a ponte H L298N, e por fim serão utilizados quatro motores elétricos, cada um acoplado a uma roda, e um motor ligado no elevador da garra.
Por meio do software Paint com auxilio Fritzing, é possível criar esquemas eletrônico, como o desenvolvido neste projeto Abaixo a figura 2, ilustra o esquema de ligações.
Figura 2 - Esquema elétrico do robô, contendo o receptor, o arduíno, a ponte H, a bateria e quatro micromotores
4.4 Motor
Serão utilizados 5 micromotores com caixa de redução em metal, sendo um micromotor para cada roda, e 1 para o elevador da garra.
Especificações do motor: 
Rotação máxima: 600 rpm
Tensão máxima: 12 V
Corrente nominal: 200 mA
Torque nominal: 0,4 Kg.cm
Massa: 9 g
Taxa de redução: 50
Força: 7,06 N
4.5 Controlador remoto
Utilizaremos um RC com frequência 75Mhz. Trata-se de um RC da marca DRIVER, modelo 4YF.
4.6 Arduino 
Arduino é uma ferramenta para criar computadores que podem sentir e controlar mais o mundo que seu PC. Ele é uma plataforma física de computação de código aberto baseado numa simples placa micro controladora, e um ambiente de desenvolvimento para escrever o código para a placa.
O Arduino pode ser usado para desenvolver objetos interativos, admitindo entradas de uma série de sensores ou chaves, e controlando uma variedade de luzes, motores ou outras saídas físicas.
Projetos do Arduino podem ser independentes, ou podem se comunicar com software rodando em seu computador (como Flash, Processing, MaxMSP.). Os circuitos podem ser montados à mão ou comprados pré-montados; o software de programação de código-livre pode ser baixado de graça.
A linguagem de programação do Arduino é uma implementação do Wiring, uma plataforma computacional física semelhante, que é baseada no ambiente multimídia de programação Processing.
4.7 Ponte H
Ponte H é um circuito de Eletrônica de potência do tipo chopper de classe E (converte uma fonte fixa de corrente continua fixa em uma tensão de corrente continua variável abrindo e fechando diversas vezes), portanto, pode determinar o sentido da corrente, a polaridade da tensão e a tensão em um dado sistema ou componente. Nesse projeto sua principal função será controlar a velocidade e sentido dos motores. 
4.8 Sistema de controle
Como descrito anteriormente, eis o sistema de controle projetado.
4.9 Locomoção do robô
Visando uma forma de locomoção fácil e logica, nosso robô ira seguir o mesmo princípio de um tanque de guerra:
Andar para frente: Os quatro motores serão ligados com o sentido de giro horário, ao empurrarmos os botões do controle para frente do CH1 e CH2.
Virar para esquerda: Os motores 3 e 4 serão ligados com o acionamento do CH2 com o giro horário, enquanto os motores 1 e 2 ficarão desligado. Por meio do conceito de momento (Momento = Força . Distancia) com isso o robô ira virar para esquerda.
Virar para direita: Os motores 1 e 2 serão ligados com o acionamento do CH1 com o giro horário, enquanto os motores 3 e 4 ficarão desligados. Pelo mesmo conceito de momento, com isso o robô ira virar para direita.
Andar para trás: Os quatro motores serão ligados com o sentido de giro anti-horário, se empurrarmos os botões do controle para trás do CH1 e CH2.
Figura 3 - Esquema de motores e comandos com o controlador remoto
4.10 Códigos de Programação 
Para a locomoção do robô foi nesse criar um algoritmo no software do próprio componente eletrônico, o arduíno. Através da linguagem de programação C++. Este código foi escrito pelo próprio programa do arduíno uno.
//if (ch l >l000) {INl,IN3, HIGH;) {IN2, IN4, LOW;);
//if (ch 2 >1000) {IN2, IN4, HIGH;) {INl, IN3, LOW;);
//if (ch 3 >1000) {INl, IN4 , HIGH;) {IN2, IN3, LOW;);
//if (ch 4 >1000) {IN2, IN3, HIGH;) { INl, IN4, LOW;);
int IN1 = 2; //comunicação entre Ponte H e Arduino Uno
int IN2 = 3; //comunicação entre Ponte H e Arduino Uno
int IN3 = 4; //comunicação entre Ponte H e Arduino Uno
int IN4 = 5; //comunicação entre Ponte H e Arduino Uno
//int ch1 = 2;
int ch2 = 9; //comunicação entre canal do receptor do R/C e Arduino Uno
int ch3 = 10; //comunicação entre canal do receptor do R/C e Arduino Uno
//int ch4 = 5;
unsigned long duracaoCH2, duracaoCH3 ;
void setup() {
 // put your setup code here, to run once:
//pinMode (ch1, INPUT) ; //can a l 1 do recept or.
pinMode (ch2, INPUT) ; //can a l 2 do r eceptor .
pinMode (ch3, INPUT) ; //can a l 3 d o recept or .
//pinMode (ch4, INPUT) ; //canal 4 do receptor .
pinMode (IN1, OUTPUT) ; //canal CHl da ponte H.
pinMode (IN2, OUTPUT) ; //canal CH2 da ponte H.
pinMode (IN3, OUTPUT) ; //canal CH3 da ponte H.
pinMode (IN4, OUTPUT) ; //canal CH4 da ponte H.
//pinMode (ENABLE, OUTPUT) ; // enable 1 E 2 da ponte
Serial.begin (9600) ;
}
void loop() {
// print out the state of the button:
Serial.println(ch2);
duracaoCH2 = pulseIn(ch2, HIGH);
duracaoCH3 = pulseIn(ch3, HIGH);
Serial.println(duracaoCH2);
Serial.println("Goodnight moon!");
Serial.println(duracaoCH3);
// Movendo pra frente
if ((duracaoCH2 < 1400) && (duracaoCH2 != 0)) {
//Gira o Motor A no sentido horarios
digitalWrite(IN1, HIGH);
 digitalWrite(IN2, LOW);
}
 // Movendo pra trás
else if (duracaoCH2 > 1600) {
//Gira o Motor A no sentido anti-horario
 digitalWrite(IN1, LOW);
 digitalWrite(IN2, HIGH);
// Para o carrinho
} else {
 digitalWrite(IN1, HIGH);
 digitalWrite(IN2, HIGH);
}
// Movendo pra frente
if ((duracaoCH3 < 1400) && (duracaoCH3 != 0)) {
 //Gira o Motor A no sentido horarios
 digitalWrite(IN3, LOW);
digitalWrite(IN4, HIGH);
}
// Movendo pra trás
else if (duracaoCH3 > 1600) {
 //Gira o Motor A no sentido anti-horario
 digitalWrite(IN3, HIGH);
 digitalWrite(IN4, LOW);
// Para os motores
} else {
 digitalWrite(IN3, HIGH);
 digitalWrite(IN4, HIGH);
}
Serial.println("Goodnight sun!");
 //IN1 = HIGH;
 //IN4 = LOW;
 //IN2 = LOW;
 //IN3 = HIGH;
}
4.11 Cálculos
4.11.1 Calculo de força sobre as rodas
Em 6V temos uma rotação de 120 RPM, com um torque de 0,42369 Nm. Dados fornecidos pelo fabricante.
Calculo de força
Torque = Raio. Força
Força = Torque/Raio 
Força = 0,42369 Nm/0,02m
Força = 21,1 N
Portanto cada roda irá gerar uma força de 21,1 N
Somando e levando em consideração que temos 4 rodas acopladas aos motores, a somadas forças será:
∑F = 4 Rodas . 21,1 N
∑F = 84,4 N
Se convertemos para Kgf teremos 2,15 Kgf em cada roda e somando as forças de todas teremos:
∑F = 2,15 Kgf . 4Rodas
∑F = 8,6 Kgf
4.11.2. Calculo da duração da bateria
Corrente da Bateria: 1600 Mah
Voltagem: 7,4 V
Se calcularmos a corrente da bateria divido pela ∑ da corrente gerada pelos 4 motores teremos um resultado de 2 horas de duração da bateria. Lembrando que o resultado e estimado, pois para termos uma eficiência de 100% o consumo teria que ser fixo, mas como será bem variado o consumo podemos estimar que ser utilizado apenas 85% do mesmo.
1600 Mah bateria/800 Mah ∑ dos motores = 2 Horas de duração da bateria
Se multiplicarmos a duração da bateria pelo estimado que será usado teremos:
2h x 85% = 1,7h
0,7h x 60m = 42m
Portanto a duração da bateria será de 1,42 H
4.11.3. Calculo da Velocidade 
O raio da roda é de 21mm ou 0,02m no SI.
Se aplicarmos o cálculo abaixo saberemos a relação ao comprimento da circunferência.
C = 2.π.R
C = 2.π.21mm
C = 131,94 mm ou 0,132m no SI
Sabendo que a roda tem um circunferência de 0,132m, aplicamos na equação abaixo o resultado:
120 RPM do motor/ 1m = 2 voltas por segundo
2 voltas por segundo . 0,132m circunferência da roda = 0,264m/s
Portanto nosso robô ira andar 0,26m em 2s
Conclusão
Após a realização deste projeto, com o detalhamento dos desenhos, iniciaremos a produção e construção do robô. Com tempo hábil para a construção deste, poderemos encontrar alguns problemas no projeto, cujo fará necessário uma ratificação do mesmo. Dentro das regras desta atividade prática supervisionada, devemos construir e participar do jogo de basquete com o intuito de marcarmos uma pontuação maior que nossos oponentes.
Referências Bibliográficas
BUDYNAS RG, NISBETT JK. Elementos de Máquinas de Shigley. 10ª ed. Mc Gall Hill, 2016
https://www.robocore.net/
ANEXO A – PROJETO DETALHADO