PROJETO APLICADO REV.5[1197]

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PROJETO APLICADO: RÓBÓTICA
INSTITUTO POLITÉCNICO – Centro Universitário UNA
Equações Diferenciais em Servo Motores
Estudo sobre Precisão e Desempenho
CURSO: Engenharia de Controle e Automação
Glaydson Santos, Lorena Souza, Mario Duarte, Ricardo Cruz, José Thiago Rosa
Professor PA Orientador: Osmar Ventura Gomes.
Professores Co-orientadores: Joao Marcos Belisario Dantas, Naísses Zoia Lima e 	Rodrigo Amaral Bonatti
1 – Introdução
O primeiro robô foi criado em 1924 pelo engenheiro eletricista Roy J. Wensley. O robô podia controlar remotamente qualquer dispositivo que estivesse conectado a ele, através do sistema de telefonia. [1]
Atualmente, visando maior produtividade e segurança, a maior parte das empresas está investindo na automação de suas linhas de produção. A tecnologia abre novas possibilidades para a produção e gera facilidades, como braços robóticos utilizados para a movimentação de grandes peças, posicionamento com maior precisão, execução de tarefas em ambiente insalubre.
Em grandes linhas de montagem é possível perceber a presença de um grande número de braços robóticos, executando diversas funções, antes designadas a humanos. A construção de um braço robótico é baseada em várias estruturas fixas, conectadas por articulações com servomotores, sendo estes os responsáveis pelo movimento do braço.
A capacidade de carga de um braço robótico é, de modo geral, maior que a de um ser humano, possibilitando o deslocamento de peças com grandes dimensões e grande massa, sem gerar riscos aos trabalhadores.
O item mais crítico para o desenvolvimento de um braço robótico é a qualidade dos servomotores, sendo necessário levar em conta a capacidade de carga, tempo de resposta, precisão e resistência dos componentes internos. Existem aplicações onde a taxa de repetição do processo deve ser praticamente impecável, com uma taxa de erros praticamente inexistente.
Objetivos
2.1 Objetivo Geral
O objetivo geral é gerar uma função de transferência que será capaz aprimorar a precisão e o tempo de resposta em braços robóticos. 
Objetivos específicos
Para que se possa alcançar o objetivo geral será necessário:
Extrair dados do sinal de realimentação de um servomotor;
Gerar um gráfico utilizando a resposta do sinal de realimentação;
Obter uma função de transferência através do gráfico;
Reduzir os erros de posicionamento;
Aprimorar a precisão e o tempo de resposta em braços robóticos.
3 Referencial Teórico
3.1 Robótica
Um robô é uma máquina programável de aplicação geral e que possui determinadas características antropomórficas. A característica antropomórfica mais óbvia de um robô é o braço mecânico, utilizado para desempenhar diversas tarefas industriais. [2].
Segundo o Robot Institute of America (RIA), robô é definido como um manipulador multifuncional reprogramável projetado para mover materiais, ferramentas, ou dispositivos especializados através de movimentos variados para a execução de uma variedade de tarefas. A ISO 10218 define o robô industrial como uma máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada automaticamente, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para utilização em aplicações de automação industrial [2].
3.2 Servo Motores CC
Segundo Zucatelli e Oliveira, servos motores CC são no sentido literal, basicamente motores de CC (Corrente Contínua), sendo que o estator é do tipo imã permanente, utilizando de imãs de terras raras, estes imãs tem a adição de elementos da série dos lantanídeos para potencializar seu desempenho. Pode-se controlar o torque e a velocidade deste motor através da corrente de armadura (Ia). O servo motor CC é um motor de corrente com elevada dinâmica, ou seja, seu projeto é feito de forma tal que a interação do fluxo proporcione torque relativamente constante ao longo de uma grande faixa de velocidade e rápida resposta. O sentido do giro é dado pela polaridade da corrente do motor. [3]
Servo motores são dispositivos de malha fechada que possuem movimento muito preciso, porém são limitados à 180 º ou 360 º graus de deslocamento. Geralmente possuem alto torque e são amplamente utilizados para movimentação de objetos, onde a precisão é algo importante.
Devido aos componentes internos e à arquitetura de construção, alguns servomotores apresentam overshoot ou erros de posicionamento, que podem ser controlados através da aplicação de uma velocidade controlada. [3]
3.3 Sistemas de controle
Modelo Físico: é um sistema ideal que inclui apenas os aspectos relevantes do sistema dado, de interesse para o estudo que se deseja fazer.
Os sistemas físicos reais são sempre muito ricos em detalhes, o que torna difícil o seu estudo. Além disso, o estudo que se deseja fazer de um sistema aborda sempre um aspecto particular de seu comportamento e não envolve todos os detalhes construtivos. [4]
3.4 Sistemas operacionais e de supervisão 
O sistema operacional é denominado como um conjunto de programas para executar várias tarefas, onde sua função no computador é de gerenciar o processador, input, output, armazenamento e controle dos dispositivos. Os principais sistemas operacionais do mercado são: Microsoft Windows, Linux e entre outros. [4]
Os sistemas de Supervisório são geralmente conhecidos como SCADA ( Controle Supervisório e Aquisição de Dados), onde gerencia e supervisiona informações de um processo industrial através das telas de operação. As informações do processo são obtidas pela coleta de dados provenientes de remotas industriais, principalmente CLP’s, onde transmitem esses dados pelos drivers de comunicação e exibida em telas de operação animadas em tempo real [5]. 
No mercado industrial existem vários modelos de Supervisório como, por exemplo [8]: 
Elipse. 
FactoryTalkView SE. 
iFIX
InduSoft Web Studio
ProcessView
ScadaBR
SIMATIC Wincc
VijeoCitect
Wondewareintouch
Oferece várias vantagens para o processo em execução como: 
Monitoramento pelos gráficos das variáveis analógicas e digitais, exibição de alarmes, gerenciamento dos dados em forma de relatório e etc.
Operação de ligar e desligar um equipamento, mudar o modo de operação dos equipamentos como via remota ou local e entre outras. 
3.5 Microcontrolador
O microcontrolador é um dispositivo que permite a automação de projetos eletrônicos, considerado um CI (circuito integrado) que tem o diferencial de realizar programação, pois é composto basicamente por microprocessador e dispositivos periféricos. No microprocessador se encontra as memórias de programa de dados e nos dispositivos periféricos são encontradas as entradas, saídas, temporizadores, conversores analógicos/digital, interfaces de comunicação e entre outros [10]. 
Esse tipo de equipamento tem como capacidade, por exemplo, realizar a leitura de sensores, controlar em atuadores, processar informação e controlar dispositivos através de uma linguagem pré-estabelecida pelo seu fabricante.  [9].  
 Alguns dos principais componentes do micro controlador [10]: 
Unidade de memórias: possui dois tipos de memória de programa onde fica armazenada a programação, ou seja, a tarefa que deve ser executada. A memória de dados (RAM e EEPROM) tem a função de guardar dados que serão utilizados. 
Unidade de aritmética lógica: é o módulo que se encontram os comparadores lógicos, lógica booleana e lógica aritmética. 
Interface de entradas e saídas: é responsável por realizar interface com dispositivos externos, onde a comunicação pode ser serial, paralelo ou USB. 
Para o projeto será utilizado o micro controlador Arduino Uno que será responsável por realizar a automação do protótipo. Esse componente é constituído por um CI controlador Atmel AVR de oito (8) bits, pinos digitais, de entradas e saídas analógicas e uma porta de entrada USB que possibilita a conexão a computador. [9] 
4 Metodologia
Para efetuar o controle do braço robótico será utilizado um controlador Arduino UNO, os servo motores serão conectados nas 7 portas digitais, onde serão controlados por pulsos
unitários, para gerar a rotação necessária no motor. Através de sinais com valor binário de 8 bits (0 a 1023) que corresponde ao deslocamento do motor, será monitorado em um supervisório a curva da função relacionada ao servo motor.
Para este projeto, serão utilizados os seguintes materiais:
•	ROBIX – Kit de Robótica com o intuito de demonstrar o overshoot nele proporcionado. Este braço robótico possui deslocamento nos 3 eixos e possui 7 servo motores, que podem ser programados através da linguagem Basic, que acompanha o kit, Linguagem de Programação C, entre outras. A linguagem de programação utilizada para este projeto será a Linguagem C.
Figura 1: Kit de robótica – ROBIX [5]
•	SERVO MOTOR Tower Pro MG995: É um servo motor com tensão de operação entre 4.8v e 6.6v, possui engrenagens de metal e tem um range de temperatura de 0-55°C. Possui torque de 13 kg/cm e faixa de rotação de 180°, estas características são responsáveis por torná-lo um servo motor amplamente utilizado em aplicações onde se exige robustez e pouco espaço disponível.
 Figura 2: Servo motor Tower Pro [6]
•	SUPERVISÓRIO: A supervisão do sistema foi realizado através do Elipse Scada, comunicando-se com o Arduino através do protocolo ModBus e conexão serial. O Arduino envia ao supervisório as informações captadas do deslocamento do servo motor. Foi construída uma tela no supervisório onde as tags recebidas do Arduino são exibidas para o usuário através de uma interface gráfica composta de gráficos que exibem instantaneamente as informações captadas do automodelo. O Elipse E3 tem ainda a função de gravar em um banco de dados local as informações recebidas para possibilitar futuras consultas ou geração de relatórios de informações já processadas anteriormente pelo sistema. 
4 - Referências Bibliográficas
 [1] CHAO, Maíra Lie. Robôs cada vez mais humanos. Disponível em < https://www.revistaplaneta.com.br/robos-cada-vez-mais-humanos/>, Acesso em : 28 de setembro de 2017.
[2] INOUE, R. S. Notas de aula da disciplina de Robótica Industrial. Departamento de Engenharia Elétrica. Universidade Federal de São Carlos, UFSCar. São Carlos, 2012.
[3] ZUCATELLI, Fernando H. G.; OLIVEIRA, Marco A. V. Controle de Servomotores CC. Faculdade de Tecnologia Termomêcanica, São Bernardo do Campo, 2007.
[4] MAYA, Paulo A.; LEONARDI, Fabrizio. Controle Essencial, 2ª edição. Pearson.
[5] Disponível em : http://educacional.anacom.com.br/produto-mt/robix-kit-de-robotica/. Acesso em 10 de Outubro de 2017
[6] Disponível em: http://www.towerpro.com.tw/?product=mg92b. Acesso em 17 Outubro 2017.
[7] Cury, José Eduardo Ribeiro. "Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos." V Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (Minicurso) (2001).
[8] PAIOLA, Carlos E. G. O. PAPEL DO SUPERVISÓRIO NO ATUAL CONTEXTO TECNOLÓGICO. AQUARIUS Ltda. Pdf. Outubro de 2009.
[9]DE LA VEJA, S. A. INTRODUÇÃO AO KIT DE DESENVOLVIMENTO ARDUINO. Niterói, Rio de Janeiro. Universidade Federal Fluminense, 2013. Pdf. 15 de Outubro, 2017. 
[10] DIOVANE, P.K.B.A. MICROCONTROLADOR. Barbacena, Dezembro de 2004 Universidade Presidente Antônio Carlos. Pdf. 15 de Outubro, 2017.
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