Proposta de plataforma de tração para aplicação em robótica móvel

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Stéphany Barreto Batista Issa
Proposta de Plataforma de Tração para
Aplicação em Robótica Móvel
Brasil
2018
Stéphany Barreto Batista Issa
Proposta de Plataforma de Tração para Aplicação em
Robótica Móvel
Trabalho de conclusão de curso apresentado
ao Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia Fluminense como requisito par-
cial para conclusão do curso de Bacharelado
em Engenharia de Controle e Automação.
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense – IFFLUMINENSE
campus Campos Centro
Engenharia de Controle e Automação
Orientador: D.Sc. Alexandre Carvalho Leite
Brasil
2018
Biblioteca Anton Dakitsch
CIP - Catalogação na Publicação
Elaborada pelo Sistema de Geração Automática de Ficha Catalográfica da Biblioteca Anton Dakitsch do IFF
 com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).
I86p
Issa, Stéphany Barreto Batista
 Proposta de Plataforma de Tração para Aplicação em Robótica Móvel
Industrial / Stéphany Barreto Batista Issa - 2018.
 70 f.: il. color.
 Orientador: Alexandre Carvalho Leite
 Trabalho de conclusão de curso (graduação) -- Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense, Campus Campos Centro,
Curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação, Campos dos
Goytacazes, RJ, 2018.
 Referências: f. 63 a 66.
 1. Roda Motorizada. 2. Solução Modular de Roda Motorizada. 3.
Sistema Integrado de Tração. 4. Robótica Móvel. I. Leite, Alexandre Carvalho,
orient. II. Título.
Stéphany Barreto Batista Issa 
Proposta de Plataforma de Tração para Aplicação em 
Robótica Móvel 
Trabalho de conclusãx) de curso apresentado 
ao Instituto Federal de Educação, Ciência e 
Tecnologia Fluminense como requisito par-
cial para conclusão do curso de Bacharelado 
em Engenharia de Controle e Automação. 
Trabalho aprovado. Brasil, 07 de Fevereiro de 2018: 
D.Sc. Alexandre Carvalho Leite 
INSTITUTO F E D E R A L 
FLUMINENSE 
Orientador 
Prof. Paulo Victor Padrão Lopes 
INSTITUTO F E D E R A L 
FLUMINENSE 
Convidado 
INSTITUTO F E D E R A L 
FLUMINENSE 
Convidado 
Brasil 
2018 
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus por ter me permitido chegar até aqui, e ter me
sustentado durante toda essa caminhada. Agradeço também a toda minha família, em
especial a minha mãe Ana Lucia, e aos meus avós, Nivan e Reginaldo, que sempre me
deram apoio para o alcance dos meus objetivos. Ao meu namorado, Yago, meus sinceros
agradecimentos pelo companheirismo, pela ajuda e incentivo.
Agradeço imensamente ao meu orientador, Alexandre Carvalho Leite, pela paci-
ência, pelo tempo dedicado ao projeto e por todo conhecimento compartilhado. Por fim,
agradeço aos meus amigos, professores e a todos aqueles que direta ou indiretamente
fizeram parte desta etapa de formação acadêmica.
"Quero, um dia, dizer às pessoas que nada foi em vão.
Que o amor existe, que vale a pena se doar às amizades e às pessoas,
que a vida é bela sim e que eu sempre dei o melhor de mim
e que valeu a pena."
(Adriana Britto)
Resumo
Este trabalho tem como objetivo propor uma solução integrada composta por um sistema
de tração, constituído de uma roda e um motor, uma placa de controle e um sistema
de alimentação. Essa solução permitiria, por exemplo, tornar equipamentos movidos ma-
nualmente em veículos motorizados, de forma rápida e facilitada. Para o alcance desse
objetivo foram definidas duas especificações fundamentais para a solução final: uma ca-
pacidade de carga de 20Kg e uma velocidade linear de trabalho de 1m/s. A partir dessas
especificações, foi feito um estudo de caso das três situações que um sistema móvel pode
vir a encontrar: sair da inércia, manter-se em velocidade constante e acelerar. Todos esses
cenários foram analisados, tanto para o caso de uma superfície plana, quanto para o caso
de uma superfície inclinada. Em seguida os componentes, como motor, roda, bateria, etc,
foram dimensionados e escolhidos após uma busca de mercado. Por fim a estrutura me-
tálica para comportar esses elementos foi projetada. Todos os itens foram desenhados no
software CAD SolidWorks, a fim de se obter a solução final. O valor final do projeto ficou
estabelecido em R$ 625,72. As especificações iniciais foram atendidas. No entanto, a massa
da bateria adotada para o sistema de alimentação, de 5,5Kg, tornou-se um inconveniente
para a eficiência da solução proposta neste trabalho.
Palavras-chaves: Roda Motorizada. Solução Modular de Roda Motorizada. Sistema In-
tegrado de Tração. Robótica Móvel.
Abstract
This project aims to propose an integrated solution composed of a traction system, con-
sisting of a wheel and a motor, control board and power system. This solution would allow,
for example, to make manually moved equipments, quickly and easily become motorized
vehicles. In order to achieve this goal, two fundamental specifications were defined: a load
capacity of 20Kg and a linear velocity on 1m/s. Based on these specifications, three situa-
tions, that a mobile system may encounter, were investigated: to overcome inertia, to keep
constant velocity and to accelerate. These scenarios were analyzed for both flat surface
and slope. Then, the components, such as motor, wheel, battery, etc, were dimensioned
and chosen. Finally, the structure to accommodate these components was designed. All
elements were drawn in the CAD software SolidWorks, in order to obtain the final result.
The final value of the project was R$ 625,72. The initial specifications were satisfied.
However, the battery mass, 5,5Kg, became an inconvenience to the effectiveness of the
proposed solution.
Key words: Motorized Wheel. Modular Solution for Motorized Wheel. Integrated Trac-
tion System. Mobile Robotics.
Lista de ilustrações
Figura 1 – Drive Caster - Caster Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figura 2 – Sugestão de Aplicação - Caster Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 3 – TENTE e-drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 4 – Exemplo de Aplicação - TENTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figura 5 – iTAS Servo Drive System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura 6 – Exemplo de Aplicação - iTAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura 7 – WheelMaxTM Series Integrated Wheel Drive Assemblies . . . . . . . . 25
Figura 8 – WheelMaxTM Steering Series Wheel Drive Assemblies . . . . . . . . . 26
Figura 9 – Roda no Plano Reto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura 10 – Roda no Plano Inclinado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figura 11 – Motor e Caixa de Redução de Angulo Reto . . . . . . . . . . . . . . . 41
Figura 12 – Relação Entre Torque, Velocidade Angular e Potência . . . . . . . . . . 42
Figura 13 – Driver Motion Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 14 – Driver Ponte H - BTS7960 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 15 – Roda Banebots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figura 16 – Acoplamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura 17 – Eixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 18 – Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 19 – Carregador da Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Figura 20 – Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Figura 21 – Lateral Direita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Figura 22 – Lateral Esquerda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Figura 23 – Rolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Figura 24 – Estrutura Montada . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura 25 – Vista Frontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura 26 – Vista Lateral Direita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Figura 27 – Vista Lateral Esquerda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Figura 28 – Esquemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Figura 29 – Esquemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figura 30 – Dimensões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura 31 – Desenho da Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Figura 32 – Desenho da Lateral Direita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Figura 33 – Desenho da Lateral Esquerda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Lista de tabelas
Tabela 1 – Caster Concepts - Modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Tabela 2 – Características Técnicas - Tente e-drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Tabela 3 – iTAS Servo Drive System - Modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Tabela 4 – Allied Motion - Modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Tabela 5 – Tabela de Comparação - Parte 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Tabela 6 – Tabela de Comparação - Parte 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Tabela 7 – Tabela de Especificações do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Tabela 8 – Superfície Plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Tabela 9 – Superfície Inclinada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Tabela 10 – Características Técnicas do Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Tabela 11 – Características Técnicas do Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Tabela 12 – Características Técnicas da Roda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Tabela 13 – Características Técnicas da Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Tabela 14 – Características Técnicas da Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Tabela 15 – Características Técnicas do Rolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Tabela 16 – Lista de Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Tabela 17 – Valores Máximos de Massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Tabela 18 – Dimensões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Tabela 19 – Massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Tabela 20 – Tabela Comparativa Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Lista de abreviaturas e siglas
AGM Absorbent Glass Mat
AGV Automated Guided Vehicle
AUD Australian Dollar
CAD Computer Aided Design
CC Corrente Contínua
ISO International Organization for Standardization
LED Light Emitting Diode
N/E Não Especificado
NBR Norma Brasileira
PWM Pulse-Width Modulation
SLA Sealed Lead Acid
USD United States Dollar
VAC Volt Alternating Current
VCC Volt Corrente Contínua
VDC Volt Direct Current
VRLA Valve-Regulated Lead Acid
Lista de símbolos
𝐻𝑃 Horsepower
𝑙𝑏𝑠 Libra
𝑀𝑃𝐻 Milha por Hora
𝑉 Volt
𝐾𝑔 Quilograma
𝐾𝑚/ℎ Quilômetro por Hora
𝑊 Watt
𝑚𝑚 Milímetro
𝑚/𝑠 Metro por Segundo
𝐶𝑉 Cavalo-Vapor
𝑠 Segundo
𝑚/𝑠2 Metro por Segundo ao Quadrado
𝐹𝑎𝑝 Força Aplicada
𝐹𝑎 Força de Atrito
𝐹𝑃 Força Peso
𝐹𝑁 Força Normal
𝐹𝑎𝑝1 Força Aplicada: Inércia - Superfície Plana
𝐹𝑎𝑠 Força de Atrito Estático
𝜇 Coeficiente de Atrito
𝜇𝑠 Coeficiente de Atrito Estático
𝑀 Massa
𝑔 Aceleração da Gravidade
𝜏 Torque
𝐹 Força
𝑟 Raio
𝜏𝑎𝑝1 Torque Aplicado: Inércia - Superfície Plana
𝑃 Potência
𝜔 Velocidade Angular
𝑣 Velocidade Linear
𝑟𝑎𝑑/𝑠 Radiano por Segundo
𝑃𝑎𝑝11 Potência Aplicada: Inércia - Superfície Plana
𝐹𝑟𝑜𝑙 Força de Resistência ao Rolamento
𝜇𝑟𝑜𝑙 Coeficiente de Resistência ao Rolamento
𝜏𝑎𝑝2 Torque Aplicado: Velocidade Constante - Superfície Plana
𝑃𝑎𝑝21 Potência Aplicada: Velocidade Constante - Superfície Plana
𝛼𝑚𝑎𝑥1 Aceleração Linear Máxima - Superfície Plana
�˙�𝑚𝑎𝑥 Aceleração Angular Máxima
𝛼𝑚𝑎𝑥 Aceleração Linear Máxima
�˙�𝑚𝑎𝑥 Aceleração Angular Máxima - Superfície Plana
𝐹𝑎𝑝3 Força Aplicada: Aceleração - Superfície Plana
𝜏𝑎𝑝3 Torque Aplicado: Aceleração - Superfície Plana
𝑃𝑎𝑝3 Potência Aplicada: Aceleração - Superfície Plana
𝐹𝑤 Força de Resistência ao Aclive
𝜑 Ângulo de Inclinação da Superfície
𝐹𝑎𝑝4 Força Aplicada: Inércia - Superfície Inclinada
𝜏𝑎𝑝4 Torque Aplicado: Inércia - Superfície Inclinada
𝑃𝑎𝑝4 Potência Aplicada: Inércia - Superfície Inclinada
𝐹𝑎𝑝5 Força Aplicada: Velocidade Constante - Superfície Inclinada
𝜏𝑎𝑝5 Torque Aplicado: Velocidade Constante - Superfície Inclinada
𝑃𝑎𝑝5 Potência Aplicada: Velocidade Constante - Superfície Inclinada
𝐹𝑎𝑝6 Força Aplicada: Aceleração - Superfície Inclinada
𝛼𝑚𝑎𝑥2 Aceleração Linear Máxima - Superfície Inclinada
𝜏𝑎𝑝6 Torque Aplicado: Aceleração - Superfície Inclinada
𝑃𝑎𝑝6 Potência Aplicada: Aceleração - Superfície Inclinada
𝑅𝑃𝑀 Rotação Por Minuto
𝐴 Ampere
𝑁𝑚 Newton Metro
𝑃𝑀𝑒𝑐ℎ𝑀𝑎𝑥 Potência Mecânica Máxima do Motor
𝑇𝑚𝑎𝑥 Torque Máximo do Motor
𝑃𝑚𝑎𝑥 Potência Máxima do Motor
𝑐𝑚 Centímetro
𝑔 Grama
𝐴ℎ Ampere-Hora
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Estrutura do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1 Conceitos Fundamentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.1 Nomenclatura - Motores de Corrente Contínua . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.2 Nomenclatura - Rodas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 Nomenclatura - Baterias Recarregáveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Produtos Disponíveis no Mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Drive Caster R○- Caster Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 TENTE e-drive - TENTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3 iTAS R○Servo Drive System - WITTENSTEIN . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.4 WheelMaxTM Integrated Wheel Assemblies - Allied Motion . . . . . . . . . 25
2.2.5 Comparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1 Especificações de Desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Dimensionamento e Escolha dos Componentes . . . . . . . . . . . . 31
3.2.1 Motor Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.1.1 Inércia - Superfície Plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1.2 Velocidade Constante - Superfície Plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1.3 Aceleração - Superfície Plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1.4 Inércia - Superfície Inclinada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1.5 Velocidade Constante - Superfície Inclinada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.1.6 Aceleração - Superfície Inclinada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1.7 Resultados Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1.8 Escolha do Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Driver do Motor Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.3 Roda . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.4 Acoplamento da Roda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.5 Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.6 Demais Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Desenho da Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Detalhes da Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1 Lista de Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Esquemático do Modelo Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3 Estimativa de Desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4 Características do Modelo Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.1 Dimensões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.2 Massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.3 Comparação das Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
A LISTA DOS PRINCIPAIS SITES USADOS PARA BUSCA DE COM-
PONENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
B DESENHOS DAS PEÇAS DA ESTRUTURA METÁLICA . . . . . . 68
1 Introdução
Os avanços tecnológicos dos últimos anos estão contribuindo para o alcance de
níveis cada vez maiores de autonomia e mobilidade. O desenvolvimento de sistemas mó-
veis conquista cada vez mais setores, com soluções robóticas para aplicações domésticas
- como os robôs aspiradores de pó, aplicações hospitalares - robôs usados para a entrega
de remédios em hospitais, e soluções industriais - robôs de serviço e transporte de carga.
Desde a inserção de robôs manipuladores no início dos anos sessenta, os Veículos Guia-
dos Automaticamente (AGV) nos anos oitenta e os robôs móveis nos anos noventa, essa
tecnologia vem se aprimorando nos mais variados aspectos (SECCHI, 2008).
Na indústria, sistemas robotizados vêm trazendo melhorias em diversas áreas, pro-
porcionando aumento de produtividade e de qualidade, além de flexibilidade e segurança
(SECCHI, 2008). Um exemplo relevante, que vem ganhando espaço na no setor de depósi-
tos de grandes lojas de vendas de produtos pela internet, como a Amazon e a Alibaba, são
os robôs responsáveis por carregar as estantes de produtos até os operadores que separam
os pedidos (SHEAD, 2017) (PICKERING, 2017).
Em virtude da grande variedade de aplicações nas quais sistemas de robôs autô-
nomos podem ser empregados, e que a robótica móvel trata-se de uma área em expansão,
espera-se que a indústria se interesse cada vez mais em fabricar sistemas desse tipo. Desse
modo, o projeto de uma solução de roda integrada tem por objetivo atender a essa de-
manda.
A roda é parte fundamental de um projeto de AGVs e robôs móveis, uma vez que
é o elemento responsável por transferir a potência dos motores para o solo, gerando assim
o movimento do robô.
Dessa forma, objetiva-se desenvolver uma solução integrada, composta por todos
os componentes necessários para o seu funcionamento, como motor, driver de controle e
alimentação. Uma solução como essa atenderia à empresas que tem o interesse em de-
senvolver sistemas robóticos móveis. Assim a empresa precisaria apenas acoplar as rodas
ao veículo, interligando-as ao sistema de controle central, podendo concentrar seu tempo
e esforço em outros aspectos de seus projetos. Essa solução serviria ainda para ser im-
plementada em equipamentos já existentes, como carros plataforma para transporte de
carga. Deste modo, a implantação desse sistema integrado tornaria equipamentos movidos
manualmente em veículos motorizados, de forma rápida e facilitada.
Capítulo 1. Introdução 17
1.1 Objetivo Geral
O objetivo desse trabalho é propor uma solução modular, composta por uma roda
motorizada, uma ferramenta que permita controlar a velocidade e o sentido de rotação
do motor, e um sistema de alimentação. Essa solução deve possuir uma estrutura que
possa ser facilmente acoplada ao elemento em que será empregada. O objetivo é que a
solução final seja capaz de trabalhar em ambientes internos, com cargas de até 20Kg a
uma velocidade linear de 1m/s. O custo final também é um fator que deverá ser levado
em consideração.
1.2 Objetivos Específicos
∙ Desenvolver o projeto de uma roda com motor integrado;
∙ Dimensionar e selecionar os componentes conforme os critérios de capacidade de
carga e velocidade;
∙ Criar uma estrutura para comportar todos os componentes da roda;
∙ Apresentar a solução modular completa: roda com motor integrado, alimentação e
driver de controle;
∙ Estimar a performance esperada de um protótipo desenvolvido a partir da proposta
de projeto.
1.3 Estrutura do Trabalho
O trabalho está dividido em cinco capítulos:
Introdução: apresenta uma introdução geral sobre o problema proposto e os obje-
tivos do trabalho.
Fundamentação Teórica: apresenta alguns conceitos necessários para o desenvolvi-
mento do trabalho, bem como uma descrição dos modelos de produtos simulares que já
estão disponíveis no mercado.
Desenvolvimento: detalha as três principais etapas de desenvolvimento do projeto:
especificação das características de desempenho, dimensionamento e escolha dos compo-
nentes e desenho da estrutura.
Resultados: expõe os resultados obtidos com a solução final proposta, como suas
características e estimativa de desempenho.
Conclusão: aborda os comentários finais e as propostas para trabalhos futuros.
2 Fundamentação Teórica
2.1 Conceitos Fundamentais
Uma das etapas do projeto consiste em dimensionar e escolher os componentes da
solução final. Para melhor escolher esses elementos, é necessário entender suas respectivas
especificações e a nomenclatura apresentada em seus datasheets.
2.1.1 Nomenclatura - Motores de Corrente Contínua
∙ Tensão de Alimentação: valor da tensão requerida pelo motor.
∙ Velocidade do Motor: velocidade de rotação do eixo, medida em radianos por se-
gundo (rad/s), ou, na maioria das vezes, em rotações por minuto (RPM).
∙ Torque Stall do Motor (Stall Torque): valor máximo de torque que o motor é capaz
de fornecer. Ponto no qual o eixo do motor para de girar (CLARK; OWINGS, 2003).
∙ Corrente Sem Carga (No-Load Current): corrente consumida pelo motor quando seu
eixo gira livremente, sem carga.
∙ Corrente de Stall (Stall Current): corrente consumida pelo motor quando ele encontra-
se em torque máximo. Trata-se da máxima corrente que o motor pode vir a requerer
(CLARK; OWINGS, 2003).
2.1.2 Nomenclatura - Rodas
Ao se buscar por rodas, além de determinar características dimensionais, como
diâmetro e largura, existem características que estão relacionadas ao material da roda.
Dentre elas, está o conceito de dureza, muito presente em datasheets de rodas de borracha
e poliuretano, por exemplo. Essa propriedade avalia a dureza de endentação de materiais
como borrachas, plásticos e materiais com comportamento similar. As escalas de medida
Shore são as mais populares. Essas escalas possuem um dado em letra, como Shore A
ou Shore D. A escala A é usada para borrachas “moles ou menos duras” enquanto que a
escala D é usada para borrachas mais “duras”. Além da letra, cada escala possui valores
de 0 e 100, sendo que valores maiores indicam um material mais duro (CIMM, ).
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 19
2.1.3 Nomenclatura - Baterias Recarregáveis
∙ Densidade de Energia: medida da quantidade de energia disponível por unidade de
massa da bateria, geralmente expressa em WH/Kg.
∙ Tensão: valor de tensão fornecido pela bateria.
∙ Capacidade de Corrente: quantidade de correnteque uma bateria pode fornecer em
um período de uma hora. Geralmente medido em Ampere-Hora (Ah). Uma bateria
4Ah forneceria 4A, no valor de tensão da bateria, pelo período de uma hora. Ou
ainda, 1A pelo período de quatro horas (CLARK; OWINGS, 2003).
∙ Classificação C: as correntes de carga e descarga de uma bateria são medidas em
classificação C. Essa capacidade representa a eficiência de uma bateria para arma-
zenar energia e sua capacidade de transferir essa energia para uma carga (SCHERZ;
MONK, 2016).
∙ Resistência Interna: característica que determina o valor máximo de corrente que a
bateria é capaz de fornecer em sua descarga máxima.
2.2 Produtos Disponíveis no Mercado
Durante a pesquisa foram encontradas quatro empresas que possuem produtos
com uma proposta similar a do presente trabalho. São estas a Caster Concepts, TENTE,
WITTENSTEIN e Allied Motion. As características de seus respectivos produtos serão
descritas nas subseções seguintes.
2.2.1 Drive Caster R○- Caster Concepts
A empresa Caster Concepts, localizada em Michigan, nos Estados Unidos, produz
dois modelos de Drive Caster. O primeiro modelo é movido por um motor de 1/4 HP
(Horsepower ou Cavalo-Vapor) e o segundo é movido por um motor de 1/2 HP. Am-
bos modelos podem ser representados pela Figura 1. O pacote vendido é composto pela
roda motorizada, bateria ou ligação para uma fonte de corrente alternada de energia elé-
trica, unidade de controle e cabos. Suas características estão especificadas na Tabela 1
(CONCEPTS, b).
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 20
Figura 1 – Drive Caster - Caster Concepts
Fonte: (CONCEPTS, c)
Tabela 1 – Caster Concepts - Modelos
Característica 1/4 HP 1/2 HP
Capacidade de Condução1 2.000 lbs 5.000 lbs
Capacidade de Sustentação2 1.000 lbs 1.000 lbs
Velocidade Máxima 2,5 MPH 1,5 MPH
Motor Elétrico 1/4 HP, 24V 1/2 HP, 24V
Roda - Diâmetro 6"ou 8" 8"
Roda - Material Poliuretano TR85A
Massa 37,59 lbs ou 42,51 lbs 57 lbs
Altura Não Especificado 10,31"
Comprimento Não Especificado 12,93"
Largura Não Especificado 8,24"
Tipo de Bateria 2x Bateria AGM Chumbo-Ácido Selada GEL 12V
Valor do Pacote $4.450,00 $4.950,00
Fonte: (CONCEPTS, a) (CONCEPTS, b) (CONCEPTS, c) (CONCEPTS, d) (CON-
CEPTS, e)
1 Por Capacidade de Condução entende-se como a maior carga que o sistema é capaz de conduzir
2 Por Capacidade de Sustentação entende-se como a maior carga que pode ser aplicada verticalmente
sobre a roda
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 21
O fabricante sugere como possíveis aplicações o uso em carros e plataformas de
trasporte de carga, plataformas giratórias, entre outras, conforme ilustrado na Figura 2.
Figura 2 – Sugestão de Aplicação - Caster Concepts
Fonte: (CONCEPTS, f)
2.2.2 TENTE e-drive - TENTE
O segundo modelo é denominado TENTE e-drive, e é fabricado pela TENTE, uma
empresa com base em Kentucky, nos Estados Unidos. A Tabela 2 lista algumas de suas
características técnicas. O pacote é composto pelo sistema e-drive (a roda), unidade de
controle, o manipulador manual, o kit de montagem do manipulador manual, o módulo
de bateria e o carregador do módulo da bateria (TENTE, ).
Figura 3 – TENTE e-drive
Fonte: (INDUSTRIAL, 2016)
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 22
Tabela 2 – Características Técnicas - Tente e-drive
Característica Valor
Capacidade de Condução 400 Kg
Capacidade de Sustentação Não Especificado
Velocidade Máxima 4 Km/h
Motor Elétrico 73.1 W, 24VDC
Roda - Diâmetro 125 mm
Roda - Material Borracha Shore 63 A
Massa 6 Kg
Altura 170 mm
Comprimento 315 mm
Largura 190 mm
Tipo de Bateria 14Ah chumbo-gel
Valor do Pacote R$ 5.000,00
Fonte: (INDUSTRIAL, 2016) (TENTE, 2014) (SHINZATO, 2017)
A Figura 4 representa uma de suas possíveis aplicações. Esse modelo foi desen-
volvido com foco em aplicações hospitalares, e é sugerido que ele seja usado como uma
quinta roda para proporcionar tração ao objeto que será movido.
Figura 4 – Exemplo de Aplicação - TENTE
Fonte: (INDUSTRIAL, 2016)
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 23
2.2.3 iTAS R○Servo Drive System - WITTENSTEIN
Os modelos iTAS R○Servo Drive System foram desenvolvidos pela WITTENSTEIN,
empresa de origem alemã, com base no município de Igersheim. Seus modelos e opções de
venda são bem diversificados, podendo ser comprados em diferentes tamanhos e potências
e em diferentes pacotes com opções como freios, encoders, e até mesmo um software, o
MotionGUI, utilizado para monitorar o funcionamento do sistema (MOTOR, ).
São quatro possíveis pacotes: Compact Package, Advanced Speed Package, Advan-
ced Load Package e Performance Package. Este último, o pacote mais completo, é com-
posto pela roda, estrutura de montagem, encoder adicional para controle de velocidade
e freio dinâmico. Nesses pacotes, o sistema de alimentação não é fornecido (MOTOR,
2017).
Figura 5 – iTAS Servo Drive System
Fonte: (MOTOR, )
Na Tabela 3 estão listadas as características dos quatro modelos de rodas dispo-
níveis. Os valores especificados são referentes a Performance Package.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 24
Tabela 3 – iTAS Servo Drive System - Modelos
Característica 004 010 025 050
Capacidade de Condução Não Especificado
Capacidade de Sustentação 280 Kg 485 Kg 655 Kg 2.000Kg
Velocidade Máxima 2,6 m/s
Motor Elétrico 24 ou 48VDC
Roda - Diâmetro 160 mm 200 mm 200 mm 250 mm
Roda - Material VULKOLLAN R○3 93 Shore A
Massa 2,9 Kg 5,7 Kg 10,4 Kg 24 Kg
Altura 180 mm 225 mm 275 mm 275 mm
Comprimento 270,7mm 266,8mm 297mm 408,9mm
Largura 160 mm 200 mm 200 mm 250 mm
Tipo de Bateria Não Fornecido
Valor do Pacote Não Informado
Fonte: (MOTOR, ) (MOTOR, 2017)
.
Esses modelos são sugeridos para aplicações em Veículos Guiados Automatica-
mente, utilizados em diversas indústrias, como a indústria alimentícia, farmacêutica, hos-
pitalar, entre outras, conforme ilustrado na Figura 6.
3 VULKOLLAN R○ é uma marca comercial da empresa Bayer que representa a fabricação de poliuretano
produzido com a adição de um polímero especial, o Desmodur R○ 15 (SYSTEMS, )
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 25
Figura 6 – Exemplo de Aplicação - iTAS
Fonte: (MOTOR, )
2.2.4 WheelMaxTM Integrated Wheel Assemblies - Allied Motion
Os modelos WheelMaxTM foram desenvolvidos pela Allied Motion, uma empresa
originária do Colorado, nos Estados Unidos. Dentre as três opções de modelos disponíveis,
os dois primeiros - GWM 5257 e GWM 5267, que estão representados pela Figura 7,
possuem o sistema de tração integrado à roda. O terceiro modelo, GWM-5097, ilustrado
na Figura 8, possui, além do sistema de tração, um sistema de direção realizado através
de um conjunto de engrenagens e rolamentos.
Figura 7 – WheelMaxTM Series Integrated Wheel Drive Assemblies
Fonte: (MOTION, 2017a)
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 26
Figura 8 – WheelMaxTM Steering Series Wheel Drive Assemblies
Fonte: (MOTION, )
Os modelos Standard são fornecidos em um pacote composto pela roda motorizada,
driver do motor, freio e encoder. Suas características estão relacionadas na Tabela 4.
Tabela 4 – Allied Motion - Modelos
Característica GWM-
5097
GWM-
5257
GWM-
5267
Capacidade de Condução 227 Kg 227 Kg 454 Kg
Capacidade de Sustentação Não Especificado
Velocidade Máxima 5 Km/h
Motor Elétrico 24 ou 48VDC
Roda - Diâmetro 150 ou 200 mm
Roda - Material Poliuretano 95 Shore A
Massa Não Especificado
Altura Não Especificado
Comprimento Não Especificado
Largura Não Especificado
Tipo de Bateria Não Fornecido
Valor do Pacote $1.850,00 $2.300,00 $2.900,00
Fonte: (MOTION, 2017a) (MOTION, 2017b) (WINSKI, 2017)
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 27
As possíveis aplicações incluem AGV’s, carrinhos de utilidades, carrinhos mani-
puladores de cargas, veículos usados para puxar ou empurrar cargas, camas hospitalares,entre diversas outras.
2.2.5 Comparação
Para uma melhor comparação, as características de todos os modelos de todos os
fabricantes foram listadas nas Tabelas 5 e 6. Todos os valores foram convertidos para uma
mesma métrica, com o objetivo de que possam ser confrontados com mais clareza. Para
converter os valores em dólar americano, foi usada a cotação de R$ 3,28 (ECONOMIA,
b).
C
apítulo
2.
Fundam
entação
Teórica
28
Tabela 5 – Tabela de Comparação - Parte 1
Caster Concepts Allied Motion
Modelo 1/4 HP 1/2 HP GWM-5097 GWM-5257 GWM-5267
Capacidade de Condução 907,18Kg 2268Kg 227 Kg 227 Kg 454 Kg
Capacidade de Sustentação 453,59Kg Não Especificado
Velocidade Máxima 1,12m/s 0,67 m/s 1,39m/s
Motor Elétrico 1/4CV,24V 1/2CV,24V 24 ou 48VDC
Roda - Diâmetro 152,4/203,2mm 203,2mm 150 ou 200 mm
Roda - Material Poliuretano TR85A Poliuretano 95 Shore A
Massa 17,05/19,28Kg 25,85Kg Não Especificado
Altura N/E 261,87mm Não Especificado
Comprimento N/E 328,42mm Não Especificado
Largura N/E 209,30mm Não Especificado
Tipo de Bateria 2x Bateria AGM SLA GEL 12V Não Fornecido
Valor do Kit R$14.596,00 R$16.236,00 R$6.068,00 R$7.544,00 R$9.512,00
Fonte: Autor
C
apítulo
2.
Fundam
entação
Teórica
29
Tabela 6 – Tabela de Comparação - Parte 2
WITTSTEIN TENTE
Modelo 004 010 025 050 e-Drive
Capacidade de Condução Não Especificado 400Kg
Capacidade de Sustentação 280 Kg 485 Kg 655 Kg 2.000 Kg N/E
Velocidade Máxima 2,6 m/s 1,11 m/s
Motor Elétrico 24 ou 48VDC 73.1W,24VDC
Roda - Diâmetro 160mm 200mm 200mm 250mm 125mm
Roda - Material VULKOLLAN R○ 93 Shore A Borracha
Shore 63A
Massa 2,9 Kg 5,7 Kg 10,4 Kg 24 Kg 6 Kg
Altura 180 mm 225 mm 275 mm 275 mm 170 mm
Comprimento 270,7mm 266,8mm 297mm 408,9mm 315mm
Largura 160 mm 200 mm 200 mm 250 mm 190 mm
Tipo de Bateria Não Fornecido 14Ah chumbo
gel
Valor do Kit Não Informado R$5.000,00
Fonte: Autor
3 Desenvolvimento
A primeira parte do projeto consiste em determinar as especificações do sistema,
ou seja, as características de performance que o sistema deve ser capaz de atender ao final
do projeto. A segunda parte resume-se no dimensionamento dos componentes, baseado
nas especificações determinadas, acompanhada pela pesquisa e escolha de produtos que
possuam características compatíveis com o que foi dimensionado. Em seguida é feito o
desenho dos componentes e da estrutura que deverá comportar esses elementos.
3.1 Especificações de Desempenho
O critério para a escolha de cada especificação varia devido a busca por um equilí-
brio entre tornar o projeto viável, mas que atenda às necessidades da indústria e que possa
ser comparado com os produtos que já estão disponíveis no mercado. As características
críticas são a capacidade de carga e a velocidade do sistema. As demais especificações
podem ser consideradas como menos relevantes, como aceleração e máxima inclinação da
superfície.
O primeiro e mais importante critério é carga que o sistema deve ser capaz de
transportar. Muito embora os produtos disponíveis no mercado possuam uma capacidade
de carga na ordem de 200𝐾𝑔 ou mais, conforme mostrado nas Tabelas 5 e 6, foi especificada
uma capacidade de carga de 20𝐾𝑔 por tratar-se de uma proposta de teste, que busca
avaliar um conceito novo de sistema. Além disso, quanto maior for a capacidade de carga,
maior deverá ser o motor e sua potência, o que tornaria o projeto mais caro e mais
complexo.
A segunda especificação é a velocidade linear que o sistema deve ser capaz de
atingir. Para determinar esse valor foi levado em consideração a velocidade média dos
exemplos mostrados nas Tabelas 5 e 6, que variam em torno de 1𝑚/𝑠. Esse valor também
foi considerado seguro para o meio ao qual o produto se propõe a trabalhar: ambientes
internos com a presença ou não de pessoas.
As demais especificações foram determinadas a partir de critérios mais simples.
Para definir a aceleração máxima foi estipulado o tempo que se deseja para que o sistema
saia do repouso e atinja a velocidade máxima, que é de 1𝑠 para a superfície plana e 2𝑠 para
a superfície inclinada. Isso resulta em uma aceleração de 1𝑚/𝑠2 e 0.5𝑚/𝑠2 respectivamente,
Capítulo 3. Desenvolvimento 31
conforme equação 3.1.
𝛼 = Δ𝑣Δ𝑡 (3.1)
A definição da máxima inclinação da superfície foi baseada no ângulo máximo per-
mitido para rampas de acesso de cadeirantes, conforme especificado na NBR 9050/2015,
que é de 4,76o4. As demais características como dimensão dos componentes, dimensões
da roda, aspectos da alimentação, etc, não foram especificadas a fim de se deixar a esco-
lha livre conforme a disponibilidade dos elementos para compra, de forma que atendam
adequadamente às necessidades do projeto.
Tabela 7 – Tabela de Especificações do Sistema
Característica Especificação
Capacidade de Carga 20Kg
Velocidade Linear 1𝑚/𝑠
Aceleração na Superfície Plana 1𝑚/𝑠2
Aceleração na Superfície Inclinada 0, 5𝑚/𝑠2
Máxima Inclinação 4,76o
Fonte: Autor
3.2 Dimensionamento e Escolha dos Componentes
Uma vez definida as especificações de desempenho do sistema, é necessário dimen-
sionar e escolher os componentes a fim de se atender à essas especificações. O primeiro
elemento a ser dimensionado é o motor devido à sua relevância para o funcionamento da
solução proposta. A definição do motor será responsável em determinar características
pertinentes para a escolha do driver do motor, da bateria, da roda, entre outras.
3.2.1 Motor Elétrico
Com o objetivo de se dimensionar as características do motor é feito um estudo
das diversas situações que o sistema vai encontrar durante seu funcionamento. A partir de
4 Baseado no fato de que a NBR 9050/2015 considera como rampa desníveis de 80cm a 1,5m e estipula
que a inclinação máxima deva ser de 8,33%, conforme a seguinte equação: 𝑖 = (ℎ × 100)/𝑐 onde i =
inclinação expressa em porcentagem, h = altura do desnível e c = comprimento da rampa (TéCNICAS,
2015).
Capítulo 3. Desenvolvimento 32
então é calculada a potência necessária em cada uma dessas situações: retirar o sistema da
inércia, mantê-lo em velocidade constante e acelerá-lo, tanto na superfície plana quanto
na superfície inclinada. Toda a análise de dimensionamento encontrada nas próximas seis
subseções foi feita baseada no estudo dos trabalhos de Wilhelm (2007) e Clark e Owings
(2003).
3.2.1.1 Inércia - Superfície Plana
Dentre as principais especificações, foi definido que o sistema deveria ser capaz de
trabalhar com cargas de até 20Kg. A partir desse dado determina-se a força necessária
para mover essa carga.
Figura 9 – Roda no Plano Reto
Fonte: Autor
A situação mais simples é o funcionamento em um plano reto, como mostrado na
Figura 9, que retratada de forma simbólica a roda, a carga e as forças as quais a roda
está submetida nesse contexto. Dessa forma, 𝑣 representa a velocidade linear da roda, 𝐹𝑎𝑝
caracteriza a força aplicada para que a roda movimente-se, 𝐹𝑎 caracteriza a força de atrito
no plano reto que age contrária ao movimento, 𝐹𝑃 simboliza a força peso e 𝐹𝑁 simboliza
a força normal.
Uma vez que o sistema encontra-se parado, para colocá-lo em movimento é neces-
sário que a força aplicada 𝐹𝑎𝑝, aqui representada por 𝐹𝑎𝑝1, seja maior que a força de atrito
𝐹𝑎, que nesse caso seria a força de atrito estático 𝐹𝑎𝑠 . Dessa forma, calcula-se 𝐹𝑎𝑠 a fim
de se determinar a força necessária para mover a estrutura.
Capítulo 3. Desenvolvimento 33
Equação da força de atrito:
𝐹𝑎 = 𝜇𝐹𝑁 (3.2)
Onde 𝜇 representa o coeficiente de atrito. A partir dessa equação, determina-se a
𝐹𝑎𝑠 :
𝐹𝑎𝑠 = 𝜇𝑠𝑀𝑔 (3.3)
Onde 𝜇𝑠 é o coeficiente de atrito estático, 𝑀 é massa do sistema e 𝑔 é a aceleração
da gravidade.
Sendo assim,
𝐹𝑎𝑝1 = 𝜇𝑠𝑀𝑔 (3.4)
Sabendo-se que a definição de torque é o produto da força pela distância, eque
nesse contexto a distância a ser considerada é o raio da roda:
𝜏 = 𝐹𝑟 (3.5)
A partir dessa equação 3.5, deriva-se a equação do torque 𝜏𝑎𝑝1, necessário para
retirar o sistema da inércia:
𝜏𝑎𝑝1 = 𝜇𝑠𝑀𝑔𝑟 (3.6)
Normalmente o coeficiente de atrito estático é determinado de forma empírica, por
meio de testes que determinam o valor do coeficiente entre dois materiais. Nesse caso, o
valor dessa constante dependeria do tipo de material da roda e do tipo de material do
solo em que a roda irá rolar (WILHELM, 2007).
Clark e Owings (2003) sugerem que o valor de 0,3 ou 0,4 para o caso de rodas que
possuam pequena área de contato com o solo, e que sejam feitas de borracha ou plástico,
deve ser suficiente. Dessa forma assume-se o valor de 𝜇𝑠 = 0, 4 .
Uma vez que não existe uma especificação para o raio 𝑟 da roda, assume-se um
valor aproximado de raio de 62,5mm baseado nas dimensões apresentadas pelos modelos
similares disponíveis no mercado, conforme mostrado nas Tabelas 5 e 6, que começam a
partir de 125mm de diâmetro.
Capítulo 3. Desenvolvimento 34
Portanto, considerando 𝜇𝑠 = 0, 4, 𝑀 = 20𝐾𝑔, 𝑔 = 9, 81𝑚/𝑠2 e 𝑟 = 0, 0625𝑚
obtém-se o seguinte valor de 𝜏𝑎𝑝1:
𝜏𝑎𝑝1 = 0, 4× 20× 9, 81× 0, 0625→ 𝜏𝑎𝑝1 = 4, 91𝑁𝑚 (3.7)
Sendo assim, conclui-se que é necessário um torque aplicado de, pelo menos,
4, 91𝑁𝑚 para retirar o sistema da inércia.
A partir desse valor de torque, determina-se a potência 𝑃 necessária para mover
o sistema:
𝑃 = 𝜏 × 𝜔 (3.8)
Onde 𝜔 representa a velocidade de rotação do eixo do motor.
𝜔 = 𝑣
𝑟
(3.9)
Uma vez que: 𝑣 = 1𝑚/𝑠 e 𝑟 = 0, 0625𝑚. Tem-se que:
𝜔 = 10, 0625 → 𝜔 = 16𝑟𝑎𝑑/𝑠 (3.10)
Portanto:
𝑃𝑎𝑝1 = 4, 91× 16→ 𝑃𝑎𝑝1 = 78, 56𝑊 (3.11)
3.2.1.2 Velocidade Constante - Superfície Plana
Nesse cenário, considera-se que o sistema já saiu da inércia e que o atrito estático
já foi vencido. Portanto deseja-se calcular o torque e a potência necessária para mantê-
lo sob velocidade constante. Dessa forma, ao invés de estar submetido à força de atrito
estático, o sistema estará sujeito à ação da força de resistência ao rolamento 𝐹𝑟𝑜𝑙, que
pode ser definida a partir da equação 3.12.
𝐹𝑟𝑜𝑙 = 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑀𝑔 (3.12)
Em que 𝜇𝑟𝑜𝑙 representa o coeficiente de resistência ao rolamento. Assume-se 𝜇𝑟𝑜𝑙 =
0, 2, pela falta de certeza a respeito desse valor, conforme explicado anteriormente, e por
acredita-se que a resistência ao rolamento possui um valor menor que o atrito estático.
Capítulo 3. Desenvolvimento 35
Logo,
𝐹𝑎𝑝2 = 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑀𝑔 (3.13)
Dessa forma, para obter o torque conforme equação 3.5, tem-se que:
𝜏𝑎𝑝2 = 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑔𝑟 (3.14)
A partir dessa equação obtém-se 𝜏𝑎𝑝2:
𝜏𝑎𝑝2 = 0, 2× 20× 9, 81× 0, 0625→ 𝜏𝑎𝑝2 = 2, 45𝑁𝑚 (3.15)
O que leva a constatar que o sistema requer um torque aplicado de 2,45 Nm para
se manter sob velocidade constante.
Para finalizar, calcula-se a potência conforme a equação 3.8:
𝑃𝑎𝑝2 = 2, 45× 16→ 𝑃𝑎𝑝2 = 39, 20𝑊 (3.16)
3.2.1.3 Aceleração - Superfície Plana
Nesse caso, avalia-se o torque e potência necessária para atingir a velocidade má-
xima com uma aceleração linear de 𝛼𝑚𝑎𝑥1 = 1𝑚/𝑠2.
Primeiramente calcula-se a aceleração angular máxima �˙�𝑚𝑎𝑥;
�˙�𝑚𝑎𝑥 =
𝛼𝑚𝑎𝑥
𝑟
(3.17)
Logo:
�˙�𝑚𝑎𝑥1 =
1
0, 0625 → �˙�𝑚𝑎𝑥1 = 16𝑟𝑎𝑑/𝑠
2 (3.18)
Para calcular a força necessária, a análise é feita a partir da Segunda Lei de Newton:
Σ𝐹 =𝑀𝛼𝑚𝑎𝑥
𝐹𝑎𝑝3 − 𝐹𝑟𝑜𝑙 =𝑀�˙�𝑚𝑎𝑥𝑟
𝐹𝑎𝑝3 = 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑀𝑔 +𝑀�˙�𝑚𝑎𝑥𝑟
(3.19)
Capítulo 3. Desenvolvimento 36
Portanto, o torque aplicado necessário para acelerar, conforme equação 3.5:
𝜏𝑎𝑝3 = 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑀𝑔𝑟 +𝑀�˙�𝑚𝑎𝑥𝑟2 (3.20)
Uma vez que o termo 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑀𝑔𝑟 refere-se a 𝜏𝑎𝑝2, já calculado na equação 3.15, obtém-
se:
𝜏𝑎𝑝3 = 2, 45 + 20× 16× 0, 06252 → 𝜏𝑎𝑝3 = 2, 45 + 1, 25→ 𝜏𝑎𝑝3 = 3, 70𝑁𝑚
(3.21)
E a potência:
𝑃𝑎𝑝3 = 3, 70× 16→ 𝑃𝑎𝑝3 = 59, 20𝑊 (3.22)
3.2.1.4 Inércia - Superfície Inclinada
Na Figura 10 está representada uma nova força, 𝐹𝑤 que simboliza a força de
resistência ao aclive, que é uma consequência da massa do corpo fazendo com que ele
role inclinação abaixo. A partir de então é feita uma nova análise, similar ao estudo feito
para o caso do plano reto, porém considerando a influência dessa nova força que surge em
função da inclinação máxima da superfície no ângulo de 𝜑 = 4, 76o.
Figura 10 – Roda no Plano Inclinado
Fonte: Autor
Capítulo 3. Desenvolvimento 37
Para colocar o sistema em movimento, é necessário aplicar uma força 𝐹𝑎𝑝 maior
que a soma das forças de atrito e de resistência ao aclive, 𝐹𝑎 e 𝐹𝑤.
A partir da equação 3.2, tem-se que:
𝐹𝑎 = 𝜇𝑀𝑔𝑐𝑜𝑠(𝜑) (3.23)
Portanto, para o caso da força de atrito estático:
𝐹𝑎𝑠 = 𝜇𝑠𝑀𝑔𝑐𝑜𝑠(𝜑) (3.24)
E, 𝐹𝑤:
𝐹𝑤 =𝑀𝑔𝑠𝑖𝑛(𝜑) (3.25)
Somando as duas forças obtém-se a força total mínima necessária para colocar o
sistema em funcionamento.
𝐹𝑎𝑝4 = 𝐹𝑎𝑠 + 𝐹𝑤 (3.26)
Com base na equação 3.5 obtém-se valor do torque aplicado necessário:
𝜏𝑎𝑝4 = 𝜇𝑠𝑀𝑔𝑐𝑜𝑠(𝜑)𝑟 +𝑀𝑔𝑠𝑖𝑛(𝜑)𝑟 (3.27)
Simplificando e aplicando os valores:
𝜏𝑎𝑝4 = 20× 9, 81[0, 4× 𝑐𝑜𝑠(4, 76) + 𝑠𝑒𝑛(4, 76)]0, 0625→ 𝜏𝑎𝑝4 = 5, 90𝑁𝑚
(3.28)
E a potência conforme equação 3.8:
𝑃𝑎𝑝4 = 5, 90× 16→ 𝑃𝑎𝑝4 = 94, 40𝑊 (3.29)
3.2.1.5 Velocidade Constante - Superfície Inclinada
O que diferencia a análise da seção anterior para esta, é o fato de que ao invés de
utilizar o atrito estático, considera-se a resistência ao rolamento.
Capítulo 3. Desenvolvimento 38
Com base na equação 3.23 pode ser definida resistência ao rolamento no plano
inclinado:
𝐹𝑟𝑜𝑙 = 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑀𝑔𝑐𝑜𝑠(𝜑) (3.30)
Logo:
𝐹𝑎𝑝5 = 𝐹𝑟𝑜𝑙 + 𝐹𝑤 (3.31)
Com base na equação 3.5, determina-se o torque aplicado:
𝜏𝑎𝑝5 = 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑀𝑔𝑐𝑜𝑠(𝜑)𝑟 +𝑀𝑔𝑠𝑒𝑛(𝜑)𝑟 (3.32)
Portanto,
𝜏𝑎𝑝5 = 20× 9, 81[0, 2× 𝑐𝑜𝑠(4, 76) + 𝑠𝑒𝑛(4, 76)]0, 0625→ 𝜏𝑎𝑝5 = 3, 46𝑁𝑚
(3.33)
E ainda,
𝑃𝑎𝑝5 = 3, 46× 16→ 𝑃𝑎𝑝5 = 55, 36𝑊 (3.34)
3.2.1.6 Aceleração - Superfície Inclinada
A força aplicada para acelerar o sistema deve ser superior à força de resistência ao
rolamento e a força de resistência ao aclive.
Σ𝐹 =𝑀𝛼𝑚𝑎𝑥2
𝐹𝑎𝑝6 − 𝐹𝑟𝑜𝑙 − 𝐹𝑤 =𝑀𝛼𝑚𝑎𝑥2
𝐹𝑎𝑝6 = 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑀𝑔𝑐𝑜𝑠(𝜑) +𝑀𝑔𝑠𝑒𝑛(𝜑) +𝑀𝛼𝑚𝑎𝑥2
(3.35)
Onde 𝛼𝑚𝑎𝑥2 representa a aceleração máxima na superfície inclinada, 𝛼𝑚𝑎𝑥2 =
0, 5𝑚/𝑠2. Apartir de 𝐹𝑎𝑝6, determina-se o 𝜏𝑎𝑝6:
𝜏𝑎𝑝6 = 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑀𝑔𝑐𝑜𝑠(𝜑)𝑟 +𝑀𝛼𝑚𝑎𝑥2𝑟 +𝑀𝑔𝑠𝑒𝑛(𝜑)𝑟 (3.36)
Capítulo 3. Desenvolvimento 39
Assim, calcula-se
𝜏𝑎𝑝6 = 20[0, 2× 9, 81× 𝑐𝑜𝑠(4, 76) + 0, 5 + 9, 81× 𝑠𝑒𝑛(4, 76)]0, 0625
→ 𝜏𝑎𝑝6 = 4, 09𝑁𝑚
(3.37)
Logo,
𝑃𝑎𝑝6 = 4, 09× 16→ 𝑃𝑎𝑝6 = 65, 44𝑊 (3.38)
3.2.1.7 Resultados Preliminares
As Tabelas 8 e 9 apresentam os resultados obtidos nos cálculos referentes ao di-
mensionamento do motor.
Tabela 8 – Superfície Plana
Condição Torque (Nm) Potência (W)
Inércia 4,91 78,56
Velocidade Constante 2,45 39,20
Aceleração 3,70 59,20
Fonte: Autor
Tabela 9 – Superfície Inclinada
Condição Torque (Nm) Potência (W)
Inércia 5,90 94,40
Velocidade Constante 3,46 55,36
Aceleração 4,09 65,44
Fonte: Autor
3.2.1.8 Escolha do Motor
Após finalizado os cálculos para a determinação das características necessárias de
torque e potência do sistema, define-se as especificações do motor.
Capítulo 3. Desenvolvimento 40
Dentre as situações analisadas, o caso de Inércia - Superfície Inclinada é o que
requer maior potência (P = 94,40 W), portanto esse valor deve ser considerado como
parâmetro de escolha do motor. Ou seja, o motor deve possuir uma potência mecânica
que seja capaz de sobrepassar esse valor. Deve-se levar em consideração que trata-se
de uma potência que serárequerida por um curto período de tempo, tempo este apenas
necessário para sair da inércia, e que nos instantes seguintes esse valor é reduzido, conforme
mostrado nos caso de Velocidade Constante - Superfície Inclinada e Aceleração - Superfície
Inclinada.
Além disso, o motor deve possuir uma rotação de pelo menos 16𝑟𝑎𝑑/𝑠 para atender
a especificação de velocidade linear de 1𝑚/𝑠 dada uma roda de raio 𝑟 = 0.0625𝑚, conforme
mostrado na equação 3.9. No entanto, no geral a rotação do motor é especificada em
Rotações Por Minuto (RPM):
𝑟𝑎𝑑/𝑠 = 𝑅𝑃𝑀 × 0, 10472 (3.39)
𝑅𝑃𝑀 = 160, 10472 → 𝑅𝑃𝑀 = 152, 79 (3.40)
A partir desses dados foi feita uma pesquisa em diversos sites conforme listado no
Apêndice A . Dentre todos os tipos de modelos de motor de corrente contínua com caixas
de redução de engrenagens disponíveis no mercado, por questões de estética optou-se por
usar modelos de motores com caixas de redução de angulo reto. Motores com caixas de
redução normais, como o tipo Planetário, resultariam em estruturas com larguras muito
grandes quando somado o comprimento do motor ao comprimento da caixa de redução.
Ao final da pesquisa o motor que apresentou a maior compatibilidade com as es-
pecificações foi o modelo "WORMDRV-G200-12", fornecido pela Motion Dynamics, con-
forme mostrado na Figura 11:
Capítulo 3. Desenvolvimento 41
Figura 11 – Motor e Caixa de Redução de Angulo Reto
Fonte: (DYNAMICS, c)
A Tabela 10 exibe as características técnicas do motor.
Tabela 10 – Características Técnicas do Motor
Característica Valor
Tensão de Alimentação 12 VCC
Potência 200 W
Corrente sem Carga 1,8 A
Corrente Nominal 16 A
Corrente Stall 32 A
Torque Stall 20 Nm
Velocidade sem Carga 180 RPM
Velocidade Nominal 150 RPM
Caixa de Redução 25:1
Massa 2,7 Kg
Diâmetro do Eixo 12 mm
Valor Unitário AUD$ 103,99
Fonte: (DYNAMICS, a)
Capítulo 3. Desenvolvimento 42
O motor atende aos critérios de torque e velocidade, porém é necessário verificar
se ele atende ao critério de potência. Para isso calcula-se a potência mecânica máxima
do motor. Clark e Owings (2003) sugerem que a potência máxima do motor ocorre na
metade do valor máximo de torque e metade do valor máximo de velocidade angular, com
base na curva característica apresentada por motores:
Figura 12 – Relação Entre Torque, Velocidade Angular e Potência
Fonte: (CLARK; OWINGS, 2003)
Portanto, para calcular a potência mecânica fornecida pelo motor, utiliza-se a
seguinte equação:
𝑃𝑀𝑒𝑐𝑀𝑎𝑥 =
1
4𝑇𝑚𝑎𝑥𝜔𝑚𝑎𝑥 (3.41)
Onde 𝑇𝑚𝑎𝑥 e 𝜔𝑚𝑎𝑥 são o torque máximo (20 Nm) e a velocidade angular máxima
(180RPM ou 18,85rad/s).
𝑃𝑀𝑒𝑐𝑀𝑎𝑥 =
1
4 × 20× 18, 85→ 𝑃𝑀𝑒𝑐𝑀𝑎𝑥 = 94, 25𝑊 (3.42)
Muito embora a potência do motor esteja um pouco abaixo do valor calculado
para o caso de ’Inércia na Superfície Inclinada’ conforme equação 3.29 (P = 94,40W),
essa diferença é muito pequena e pode ser considerada irrelevante.
3.2.2 Driver do Motor Elétrico
O principal critério para a escolha do driver do motor é a corrente de trabalho
suportada pelo mesmo. Esta deve ser superior à corrente máxima de trabalho do motor
para não resultar na queima da placa. Além disso, espera-se que essa seja capaz de enviar
comando que direcionem a rotação do motor em ambos os sentidos.
Capítulo 3. Desenvolvimento 43
O próprio site que oferece o modelo de motor escolhido, também dispõe de um
modelo de placa que pode ser comprada tanto separada quanto em conjunto com o motor,
conforme mostrado na Figura 13. No entanto, esse modelo tem como característica uma
corrente máxima de 30A, 2A a menos que a corrente máxima do motor. Além de possuir
um custo considerável - AUD$35,00, se comprada em conjunto com o motor.
Figura 13 – Driver Motion Dynamics
Fonte: (DYNAMICS, b)
Após uma nova pesquisa nos sites listados no Apêndice A, muitas placas mostraram-
se adequadas para essa aplicação. No entanto, a que apresentou a melhor relação custo
benefício foi o modelo: Módulo Driver Ponte H - BTS7960, também conhecida como IBT2.
Figura 14 – Driver Ponte H - BTS7960
Fonte: (EBAY, a)
Capítulo 3. Desenvolvimento 44
Este é um módulo de acionamento de motor ponte H baseado no driver BTS7960,
com capacidade de corrente de até 43A, conforme mostrado na Tabela 11.
Tabela 11 – Características Técnicas do Driver
Característica Valor
Suporta 1 Motor CC
Controle de Direção e Velocidade PWM
Tensão de Alimentação 5,5 - 27V
Tensão Lógica 3,3 - 5V
Corrente Máxima 43 A
Dimensões 4 x 5 x 1,2 cm
Valor Unitário USD$ 7,13
Fonte: (EBAY, a)
3.2.3 Roda
Após uma nova pesquisa, o modelo de roda escolhido foi: roda Banebots 4-7/8"com
a superfície da roda construída em Borracha Termoplástica e parte interna fabricada em
Polipropileno. A representação da roda está ilustrada na Figura 15, e suas características
estão dispostas na Tabela 12.
Figura 15 – Roda Banebots
Fonte: (BANEBOTS, a)
Capítulo 3. Desenvolvimento 45
Tabela 12 – Características Técnicas da Roda
Característica Valor
Diâmetro 12,38 cm
Largura 2,03 cm
Massa 144,58 g
Tread Durometer 60 A
Valor Unitário USD$ 5,00
Fonte: (BANEBOTS, a)
3.2.4 Acoplamento da Roda
O fornecedor da roda oferece a opção de um acoplamento que pode ser adquirido
junto com a roda:
Figura 16 – Acoplamento
Fonte: (BANEBOTS, b)
O modelo "T81 Hub, 12mm Shaft"possui um diâmetro externo compatível com o
diâmetro interno na roda, e deve ser montado em eixos de 12mm de diâmetro - valor do
diâmetro do eixo do motor.
O acoplamento é preso ao eixo por meio de dois parafusos encontrados na parte
quadrada do acoplamento, responsável por transferir o toque do eixo do motor à roda.
Após prender o acoplamento ao eixo, a roda é montada no acoplamento e fixada através
de um anel de pressão. Ele é produzido em Alumínio, seu valor unitário é de USD$ 4,50,
Capítulo 3. Desenvolvimento 46
e sua massa é de 11,34g (BANEBOTS, b).
Para completar o estágio de acoplamento entre roda e eixo do motor, é necessário
encontrar o eixo de 12mm do motor. O modelo escolhido é feito em Aço Inoxidável,
conforme ilustrado na Figura 17, que pode ser comprado em diversos comprimentos, de
acordo com a necessidade que for encontrada na etapa de desenho do sistema.
Figura 17 – Eixo
Fonte: (CITY, )
3.2.5 Alimentação
A fim de se manter a mobilidade, a alimentação do sistema deve ser feita por meio
de bateria. Neste caso, a escolha de uma bateria recarregável deve levar em consideração
alguns fatores, como a tensão de alimentação do motor e a corrente máxima que pode vir
a ser necessária. Também é necessário levar em conta as características de funcionamento
do sistema, como, por exemplo, se o sistema requer grandes descargas de corrente em um
curto período de tempo ou se o tempo para recarga da bateria é um fator de impacto.
O número de variáveis e fatores envolvidos na escolha da bateria, torna essa tarefa
complexa. A fim de facilitar a escolha, serão eliminadas algumas opções com base em
característica críticas que venham influenciar diretamente no sistema.
Para o dimensionamento da bateria, o primeiro aspecto a ser levado em considera-
ção é a tensão da mesma. Uma vez que o motor precisa ser alimentado com uma tensão de
12V, faz-se necessário que a bateria escolhida tenha a capacidade de fornecer esses 12V.
Outro aspecto fundamental é a capacidade de fornecimento de corrente. McComb
(2011) sugere que, ao se escolher uma bateria, deve-se optar por modelos que tenham a
capacidade de fornecer, pelo menos, 40% a mais do maior valor de demanda de corrente
do sistema. Neste caso, a maior demanda pode considerada como a Corrente de Stall do
motor, que é de 32A. Portanto, a bateria escolhida, deve ser capaz de fornecer pelo menos
44,8A. No entanto, baterias são especificadas em Ah (Ampere-Hora), o que determina a
quantidade decorrente que ela seria capaz de fornecer em uma hora de funcionamento
(MCCOMB, 2011). Logo, considerando o tempo de funcionamento de uma hora como
Capítulo 3. Desenvolvimento 47
referência, determina-se como especificação o valor de, pelo menos, 44,8Ah para a escolha
da bateria.
Com base nessas informações, o próximo passo é determinar o tipo de bateria que
será utilizado. Scherz e Monk (2016) listam sete tipos principais de baterias recarregáveis,
são elas: Chumbo-Ácido, Níquel-Cadmio, Níquel Metal Hidreto, Lítio-íon, Lítio-Polímero,
Níquel-Zinco e Níquel-Ferro.
Os modelos de Níquel-Cadmio não se demonstram adequadas porque, em termos
práticos, elas não costumam durar muito tempo até precisarem de uma nova recarga,
além de sofrerem efeito de memória (SCHERZ; MONK, 2016).
As baterias de Lítio-íon, apesar de todas as suas vantagens, como alta densidade
energética, também não se demonstram apropriadas devido aos seus altos preços - trata-
se do modelo mais caro de todos os tipos de baterias recarregáveis (SCHERZ; MONK,
2016).
Baterias de Lítio-Polímero têm a desvantagem de não serem capazes de fornecer
grandes descargas de corrente, devido à sua elevada resistência interna. Este fator impacta
no fato de que o motor, em alguns casos, pode vir a precisas dessas altas descargas e a
bateria deve ser capaz de atender à essa demanda (SCHERZ; MONK, 2016).
Por fim, as baterias de Níquel-Ferro costumam ser pesadas e volumosas, e por isso
não seriam consideradas para a aplicação do presente trabalho (SCHERZ; MONK, 2016).
Portanto, resta analisar os modelos de Chumbo-Ácido, Níquel Metal Hidreto e
Níquel-Zinco. Após uma pesquisa sobre os produtos disponíveis no mercado, o modelo
que melhor atendeu aos critérios de dimensionamento e a relação de custo benefício foi
o tipo Chumbo-Ácido, tanto do tipo selada (SLA - Sealed Lead Ácid), quanto do tipo
regulada por válvula (VRLA - Valve-Regulated Lead Acid). Esse resultado coincide com
o que foi demonstrado nas Tabelas 5 e 6, no qual a maioria dos pacotes fornecem baterias
de Chumbo-Ácido Seladas.
A vantagem de se usar baterias do tipo VRLA está no fato de que elas não têm
necessidade de manutenção e podem ser usadas em diversas posições, visto que são livres
de vazamento. Além disso, estes modelos podem ser usados em ambientes com seres vivos
e equipamentos eletrônicos, uma vez que não emitem gases tóxicos (BATERIAS, a).
Ao final de mais uma pesquisa, o modelo escolhido de bateria foi o modelo "Bateria
Selada Vrla (Agm) GetPower 12v 45ah"(BATERIAS, b). No entanto, esse modelo apre-
senta 13,20Kg de massa, o que tornaria inviável a solução aqui proposta, pois consumiria
66% da capacidade de carga do sistema. Conforme sugerido por McComb (2011), caso o
modelo escolhido pelo método proposto fosse considerado muito grande, ele poderia ser
substituído por um modelo menor. Sendo assim, assume-se um novo critério baseado na
Corrente Nominal do motor, que é de 16A. Ainda tendo como base o funcionamento de
Capítulo 3. Desenvolvimento 48
uma hora, os parâmetros agora seriam: tensão de 12V, e, pelo menos, 16Ah de capacidade
de corrente. A partir desses dados, um novo modelo foi escolhido: "Bateria Selada Vrla
(Agm) GetPower 12v 18ah". Esse modelo demonstra atender às necessidades do sistema,
uma vez que possui uma corrente máxima de descarga da 180A, ou seja, ele consegue
suprir a necessidade de corrente de stall do motor, caso seja necessário. As características
do modelo escolhido estão listadas na Tabela 14.
Figura 18 – Bateria
Fonte: (BATERIAS, b)
Tabela 13 – Características Técnicas da Bateria
Característica Valor
Tensão 12V
Capacidade 18Ah
Corrente Máxima de Descarga 180A (5s)
Corrente Máxima de Carga 5,4A
Tipo de Teminal Rosca/M5 (Parafuso 5 mm)
Dimensões 181 x 77 x 167 mm
Massa 5,5 Kg
Valor Unitário R$ 225,09
Fonte: (BATERIAS, a) (POWER, )
Para completar o estágio de alimentação, é necessário selecionar o carregador da
bateria. Tendo como base o valor da Corrente Máxima de Carga, de 5,4A, o modelo
escolhido é mostrado na Figura 19.
Capítulo 3. Desenvolvimento 49
Figura 19 – Carregador da Bateria
Fonte: (EBAY, )
Tabela 14 – Características Técnicas da Bateria
Este modelo possui LEDs para exibir o status de recarga e proteção contra polaridade
reversa. O fornecedor sugere que esse modelo seja adequando para baterias do tipo SLA,
AGM, GEL e VRLA, que possuam uma capacidade de corrente entre 2 e 90Ah.
Característica Valor
Tensão de Entrada de 100 a 240 VAC
Tensão de Saída 12V
Corrente para Recarga 0,8 ou 3,3A
Dimensões 120 x 67 x 41 mm
Massa 350g
Valor Unitário USD$ 17,99
Fonte: (EBAY, ) (EBAY, b)
3.2.6 Demais Componentes
Os demais componentes, como rolamentos, parafusos e espaçadores, que farão parte
da estrutura metálica do sistema, deverão ser especificados após o desenho da estrutura
a fim de se atender às necessidades que irão surgir nesta etapa.
Capítulo 3. Desenvolvimento 50
3.3 Desenho da Estrutura
O projeto e os desenhos da estrutura foram desenvolvidos com auxílio da ferra-
menta CAD (computer-aided design) SolidWorks. O primeiro componente a ser dese-
nhado, foi o elemento chamado como "Base", ilustrado na Figura 20. Essa é a peça pela
qual a estrutura da roda será montada no elemento em que vier a ser empregada, e que
também será o elemento suporte pelo qual os demais componentes da estrutura estarão
interligados.
Figura 20 – Base
Fonte: Autor
Os furos na parte lateral serão usados para que, com o auxílio de parafusos, seja
possível fixar as laterais da estrutura. O objetivo é fazer com que as partes laterais sejam
removíveis, a fim de que, por exemplo, a roda possa ser trocada com maior facilidade. Os
furos na parte superior serão usados para ligar a estrutura da roda ao elemento em que
ela deverá ser empregada.
O segundo componente da estrutura é a lateral à qual o motor vai ser fixado, aqui
chamada de "Lateral Direita", e ilustrada na Figura 21. Esta contém furos para ser fixada
à base, furos para sustentar o motor e furos para conectá-la à outra lateral da estrutura,
além do furo central para passagem do eixo do motor.
Capítulo 3. Desenvolvimento 51
Figura 21 – Lateral Direita
Fonte: Autor
O terceiro e último componente da estrutura é a outra lateral, aqui chamada de
"Lateral Esquerda", e ilustrada na Figura 22. Esta contém furos para ser fixada à base,
furos para conectá-la à outra lateral da estrutura, além do furo central para passagem do
eixo do motor.
Figura 22 – Lateral Esquerda
Fonte: Autor
Os desenhos detalhados da Base, Lateral Direita e Lateral Esquerda estão dispo-
níveis no apêndice B.
Capítulo 3. Desenvolvimento 52
3.3.1 Detalhes da Estrutura
A partir desse modelo de chassi, surgiu a necessidade de se acoplar um rolamento
em ambas as estruturas laterais, a fim de se oferecer um suporte ao eixo do motor. Após
nova pesquisa, optou-se por escolher o modelo F6701ZZS, conforme mostrado na Figura
23. Trata-se de um modelo de rolamento de largura extrafina e com flange, o que facilita
o seu acoplamento às estruturas laterais. Suas características estão listadas na Tabela 15.
Figura 23 – Rolamento
Fonte: (BEARING, )
Tabela 15 – Características Técnicas do Rolamento
Característica Valor
Diâmetro Interno 12 mm
Diâmetro Externo 18 mm
Diâmetro da Flange 19,5 mm
Largura Total 4 mm
Largura da Flange 0,8 mm
Massa 3,4 g
Valor: kit com 2 unidades USD $ 3,95
Fonte: (EBAY, )
Os demais componentes, como parafusos, roscas e espaçadores, que irão compor a
estrutura metálica, não serão aqui dimensionados ou especificados. A título de ilustração,
foram realizados furos de dimensão M8, da norma ISO, nos elementos da estrutura que
serão responsáveis pela ligação entre elas, como os furos que prendem a base à estrutura
em que será utilizada, e os furos que conectam as estruturaslaterais à base. Os furos dos
espaçadores foram realizados com tamanho M6, também à título de ilustração.
4 Resultados
O modelo da estrutura com os principais componentes representados, exceto pa-
rafusos, roscas e espaçadores, está retratado nas Figuras 24, 25, 26 e 27:
Figura 24 – Estrutura Montada
Fonte: Autor
Figura 25 – Vista Frontal
Fonte: Autor
Capítulo 4. Resultados 54
Figura 26 – Vista Lateral Direita
Fonte: Autor
Figura 27 – Vista Lateral Esquerda
Fonte: Autor
O desenho do motor foi disponibilizado pelo próprio fabricante, a Motion Dyna-
mics. O desenho do eixo está disponível para download no próprio site de venda da Servo
City. Os demais componentes foram desenhados com base nas dimensões especificadas
em suas respectivas tabelas de Características Técnicas, apresentadas no item 3.2 deste
trabalho.
Capítulo 4. Resultados 55
4.1 Lista de Materiais
A fim de se obter a lista final dos componentes e uma estimativa do custo total do
projeto, os elementos foram relacionados na Tabela 16, com suas respectivas quantidades
e valores.
Tabela 16 – Lista de Materiais
Item Quant. Valor Unit. Valor
(Reais)
Valor
Total
Motor 1 AUD$ 103,99 R$ 257,90 R$ 257,90
Driver 1 USD $ 7,13 R$ 23,39 R$ 23,39
Roda 1 USD$ 5,00 R$ 16,40 R$ 16,40
Acoplamento da Roda 1 USD$ 4,50 R$ 14,76 R$ 14,76
Eixo 1 USD$ 3,39 R$ 11,12 R$ 11,12
Rolamento 1 USD $ 3,95 R$ 3,95 R$ 12,96
Bateria 1 R$ 225,09 R$ 225,09 R$ 225,09
Carregador da Bateria 1 USD$ 17,99 R$ 59,00 R$ 59,00
Estrutura em Alumínio
(Material)
1 R$ 5,10 R$ 5,10 R$ 5,10
Estrutura em Alumínio
(Mão de obra)
1 Não Especificado
Fonte: Autor
Valor total do projeto: R$ 625,72. Considerando os valores de conversão do dólar
australiano em R$ 2,48, e do dólar americano em R$ 3,28 (ECONOMIA, a) (ECONOMIA,
b).
O cálculo do valor da Estrutura em Alumínio (Material) foi feito baseado no valor
do quilograma do alumínio no mercado, que é de aproximadamente R$21,00. Portanto,
com base nos dados da Tabela 19, a massa total da estrutura metálica seria de 241,85g.
Isso resultaria em um valor total de R$5,10 de Alumínio. No entanto, esse valor não
leva em consideração o custo de mão de obra, que deve ser consultado no momento de
solicitação de fabricação das peças.
Capítulo 4. Resultados 56
4.2 Esquemático do Modelo Final
Com o objetivo de se observar como a estrutura ficaria após montada, foi feito o
desenho adicionando os parafusos, roscas e espaçadores. O resultado está ilustrado nas
Figuras 28 e 29.
.
Figura 28 – Esquemático
Fonte: Autor
Capítulo 4. Resultados 57
Figura 29 – Esquemático
Fonte: Autor
4.3 Estimativa de Desempenho
Considerando os elementos escolhidos e suas características, faz-se necessário de-
terminar as características de desempenho esperadas. Em primeiro lugar, utilizando as
equações apresentadas no item 3.2.1, avalia-se o valor de massa total que o sistema será
capaz de trabalhar.
A partir da equação 3.42, estimou-se que o motor é capaz de fornecer uma Potência
Mecânica Máxima de 94,25W. Com base nessa informação, e no valor de Velocidade
Angular determinado pela equação 3.10, estima-se um Torque Máximo de 5,89 Nm -
conforme equação 3.8.
Refazendo os cálculos das equações 3.7, 3.15, 3.21, 3.28, 3.33 e 3.37, porém desta
vez inserindo o valor de torque e os demais valores, considerando o valor de raio da roda
de 0,0619m (conforme mostrado na Tabela 12) e calculando o valor de massa, obtém-se
os valores exibidos na Tabela 17.
Capítulo 4. Resultados 58
Tabela 17 – Valores Máximos de Massa
Condição Valor Máximo
de Massa
Inércia - Superfície Plana 24,25 Kg
Velocidade Constante - Superfície Plana 48,50 Kg
Aceleração - Superfície Plana 32,23 Kg
Inércia - Superfície Inclinada 20,14 Kg
Velocidade Constante - Superfície Inclinada 34,26 Kg
Aceleração - Superfície Inclinada 29,10 Kg
Fonte: Autor
Portanto, considera-se que o sistema atende ao seu principal requisito: ter a capa-
cidade de trabalhar com cargas de 20Kg.
Para avaliar a velocidade nominal e máxima do sistema, leva-se em conta que o
motor possui uma Velocidade Nominal de 150 RPM e uma Velocidade Máxima de 180
RPM. Convertendo esses valores para radianos por segundo com base na equação 3.39,
tem-se respectivamente, 15,71 rad/s e 18,85 rad/s. Agora, considerando o valor do raio da
roda de 0,0619, converte-se esses valores para velocidade linear em metros por segundo,
conforme mostrado na equação 3.9. Logo, o sistema possui uma Velocidade Nominal de
0,97 m/s e uma Velocidade Máxima de 1,17 m/s. Consequentemente ele também atende
ao critério de velocidade estabelecido inicialmente.
4.4 Características do Modelo Final
Algumas características físicas do modelo final, como suas dimensões e sua massa
total foram obtidas, a fim de se completar o estágio de detalhamento dos resultados
obtidos no projeto.
4.4.1 Dimensões
Capítulo 4. Resultados 59
Figura 30 – Dimensões
Fonte: Autor
Tabela 18 – Dimensões
Característica Valor
Largura (L) 190,81 mm
Altura (H) 151,90 mm
Comprimento (C) 255,75 mm
Distância do Solo (h) 11,90 mm
Fonte: Autor
4.4.2 Massa
Considerando que os itens Base, Lateral D e Lateral E sejam produzidos em Alu-
mínio, estimou-se os valores de massa desses itens com auxílio da ferramenta "Propriedade
de Massa"disponível no SolidWorks. A massa do eixo do motor também foi estimada, uma
vez que o fornecedor não apresenta essa informação. Os dados de massa dos demais itens
foram obtidos nas fontes de informação sobre os respectivos produtos.Estas informações
estão reunidas na Tabela 19.
Capítulo 4. Resultados 60
Tabela 19 – Massa
Item Quant. Valor Unitário Valor Total
Base 1 124,49 g 124,49 g
Lateral D 1 58,63 g 58,63 g
Lateral E 1 59 g 59 g
Rolamento 2 3,10 g 6,20 g
Roda 1 144,58 g 144,58 g
Acoplamento da Roda 1 11,34 g 11,34 g
Eixo 1 11,29 g 11,29 g
Motor 1 2.700 g 2.700 g
Driver do Motor 1 N/E N/E
Bateria 1 5.500 g 5.500 g
Fonte: Autor
Totalizando 3.115,53g, aproximadamente, 3,12 Kg para o sistema da roda, com
exceção da bateria e 8,62 Kg para o solução como um todo, incluindo a bateria.
A massa da bateria gera um grande impacto na funcionalidade do sistema, uma
vez que consome mais de um quarto da capacidade de carga. Uma opção para reduzir
esse impacto, seria realizar um estudo detalhado para escolha da bateria, considerando
sua grande relevância e influência em dois aspectos cruciais desse projeto: a capacidade
de carga e o custo, conforme mostrado na Tabela 16.
4.4.3 Comparação das Características
A Tabela 20 apresenta algumas características do modelo proposto neste traba-
lho, bem como algumas características dos modelos atualmente disponíves no mercado -
descritos anteriormente, a fim de facilitar a comparação dessas informações.
Foram destacados os modelos que apresentam as melhores características para
cada um dos atributos listados. Por melhor característica entende-se: maior capacidade
de carga, maior capacidade de sustentação, maior velocidade, menor comprimento, menor
largura, menor altura e menor massa.
C
apítulo
4.
Resultados
61
Tabela 20 – Tabela Comparativa Final
Modelo Cap.
de
Cond.
Cap.
de
Sust.
Vel.
Máx.
Comp. Largura Altura Massa
Modelo Projetado 20,14Kg N/E 1,17m/s 255,75mm 190,81mm 151,90mm 3,12Kg
Allied Motion GWM-
5097
227Kg N/E 1,39m/s N/E N/E N/E N/E
Allied Motion GWM-
5257
227Kg N/E 1,39m/s N/E N/E N/E N/E
Allied Motion GWM-
5267
454Kg N/E 1,39m/s N/E N/E N/E N/E
TENTE e-Drive 400Kg N/E 1.1m/s 315mm 190mm 170mm 6Kg
WITTSTEIN iTAS 004 N/E 280Kg 2,6m/s 270,7mm 160mm 180mm 2,9Kg
WITTSTEIN iTAS 010 N/E 485Kg 2,6m/s 266,8mm 200mm 225mm 5,7Kg
WITTSTEIN iTAS 025 N/E 655Kg 2,6m/s 297mm 200mm 275mm 10,4Kg
WITTSTEIN iTAS 050 N/E 2000Kg 2,6m/s 408,9mm 250mm 275mm 24KgCaster Concepts 1/4HP 907,18Kg 453,59Kg 1,12m/s N/E N/E N/E 17,05 /
19,28Kg
Caster Concepts 1/2HP 2268Kg 453,59Kg 0,67m/s 328,47mm 209,30mm 267,87mm 25,85Kg
Fonte: Autor
5 Conclusão
O presente trabalho teve como objetivo propor uma solução modular que fosse
composta por um sistema de tração, voltado para aplicações robóticas. O propósito foi
de que, além de integrada, a solução fosse de fácil implementação em suas aplicações.
Critérios de desempenho foram previamente estabelecidos, a fim de serem alcan-
çados ao final do projeto, como uma capacidade de carga de 20Kg e uma velocidade de
trabalho de 1m/s. A partir desses critérios, os componentes foram dimensionados. Após
buscas em diversos sites, os produtos que melhor atenderam a esses critérios e apre-
sentaram a melhor relação custo-benefício foram listados. Com base nos componentes
escolhidos, foi projetada no SolidWorks uma estrutura em alumínio para comportá-los. A
partir dos desenhos da estrutura e dos componentes, o modelo final foi estabelecido.
A solução proposta chegou a um custo final de R$ 625,72. Os resultados preli-
minares demostraram que a solução apresentada atende aos critérios de capacidade de
carga e velocidade linear. O resultado final do projeto alcancou uma capacidade de carga
de 20,14Kg e uma velocidade linear máxima de 1,17m/s. A massa da estrutura da roda
foi estimada, alcançando o valor aproximado de 3,12Kg. No entanto, a massa da bateria
escolhida, de 5,5Kg, teve grande impacto na eficiência do sistema.
Para trabalhos futuros, sugere-se que seja feita uma análise mais detalhada quanto
ao dimensionamento e escolha da bateria, visto que esse é um elemento de exerce grande
influência em dois aspectos importantes desse projeto: a capacidade de carga e o custo.
Além disso, sugere-se que seja feita a montagem do sistema, com o objetivo de confrontar
os resultados obtidos preliminarmente, com o real desemprenho que esta solução possa vir
a apresentar. Por fim, muitas melhorias ainda podem ser implementadas, como a adição
de um sistema de amortecimento, freio, adição de um atuador para controle de direção,
entre diversas outras.
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Referências
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