Braço robótico

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Equipe Mata Peça
Gabriel Lici Vieira
Lucas dos Santos Oliveira
Raul Nunes
Renan Cavez
Vinicius Henrique Santos Barbosa
Projeto de braço robótico
São Paulo
		
2019
Equipe Mata Peça
Gabriel Lici Vieira
Lucas dos Santos Oliveira
Raul Nunes
Renan Cavez
Vinicius Henrique Santos Barbosa
Projeto de braço robótico
Projeto detalhado do braço robótico concebido pelo grupo Equipe Mata Peça na disciplina de Máquinas de elevação e transporte com orientação do professor Marcelo Leonildo Teruel.
São Paulo
2019
Gabriel Lici Vieira
Lucas dos Santos Oliveira
Raul Nunes
Renan Cavez
Vinicius Henrique Santos Barbosa
Projeto de braço robótico
Trabalho apresentado a Universidade Cruzeiro do Sul, como parte das exigências para a obtenção da aprovação na disciplina de Máquinas de elevação e transporte do curso de engenharia mecânica.
São Paulo, 14 de outubro de 2019.
________________________________________
Prof. Marcelo Leonildo Teruel
Resumo
Projeto detalhado para construção de um braço robótico para o campeonato Engemaluca Cruzeiro do Sul , nesse estudo abordaremos brevemente a definição de braço robótico, sua história e aplicação na indústria, mostraremos os cálculos utilizados no seu dimensionamento, os materiais utilizados , o custo total deste projeto, os desenhos das partes mecânicas, sua programação e algumas etapas da sua construção . 
Summary
Detailed project for the construction of a robotic arm for the "Engemaluca Cruzeiro do Sul" tournament. In this study we will briefly address the definition of robotic arm, its history and application in the industry, We Will show the calculations used in its sizing, the materials used, the total cost of the project, the drawings of the mechanical parts, their programming and some stages of their construction.
Sumário
1.	Justificativa	8
2.	Objetivo	9
2.2.	Primeiro robô	9
2.2. 	Eletrônica	9
2.3.	Os robôs no Brasil e no mundo	10
3.	Bases Teóricas	11
3.1.	 Estrutura	11
4.	Resultados:	13
4.1. Tamanho das peças estruturais.	13
4.2. Funcionamento estrutural	13
4.3. Braços robóticos industriais	14
4.3.1 Robô não servo	15
4.3.2 Robô servo	15
4.3.3 Robô programável	15
4.3.4 Robô programável por computador	15
5.	Materiais e Métodos	16
6.	Cálculos	17
6.1. 	Carga crítica de flambagem = Pcr	19
6.2.	Tensão crítica de flambagem	20
6.3.	Índice de esbeltez	20
6.4.	Momento de inércia (Seção Transversal)	21
6.5.	Momento Fletor	23
6.6.	Tensão de flexão (mínima – máxima)	23
6.7.	Cálculos para determinação dos Servo Motores	24
6.8.	Coluna e braço 1 -Peças à serem calculadas	25
6.9.	Articuladoras coluna e braço 1	25
6.10.	Espaçadoras coluna e braço 1	26
6.11.	Cálculo da massa de cada peça constituinte da estrutura do braço	26
6.13.	Cálculo do Torque necessário para cada Motor	29
7.	Conclusão e Comentários	31
8.	Bibliografia	32
9.	Anexos	33
Justificativa 
O projeto da competição “engemaluca” concebido pelos professores de engenharias junto à universidade Cruzeiro do Sul, tem o propósito de gerar estimulo e proporcionar aos alunos à vivencia no mundo da engenharia.
O grupo Mata Peça com o intuito de aproveitar o máximo possível a oportunidade de aprendizagem que foi proporcionada, realizou o projeto para participar da competição que se realizará no dia 17 de outubro de 2019, no campus de São Miguel.
Existem diversas vantagens na realização dos projetos da “engemaluca”, mas no geral, é a aprendizagem em que cada integrante do grupo adquiri colocando em pratica toda a teoria que foi ensinada e fornecida pelos professores durante todo o curso. Toma-se como vantagem também o processo de trabalhar em grupo e vivenciar um projeto de engenharia com escala reduzida que se assemelha muito ao trabalho de um engenheiro no mercado de trabalho. 
O braço robótico do grupo Mata Peça foi criado e desenvolvido após a pesquisa e busca por informações detalhadas sobre todos os componentes necessários para a execução do projeto, desde cálculos, materiais e compreensão de aspectos ensinados ou não durante o curso. Foi necessária a pesquisa, aprendizagem e o desenvolvimento de métodos de automação do braço robótico. O grupo realizou diversos cálculos mecânicos durante o dimensionamento dos servos motores. Também foi necessário realizar buscas e pesquisas em relação à preços e qualidade dos componentes eletrônicos e materiais para construção, sempre buscando o melhor custo x benefício para viabilizar o projeto do braço robótico.
Objetivo
O projeto tem a finalidade de desenvolver um braço robótico estruturado com MDF em suas partes móveis e fixas. Seus movimentos serão controlados através de uma programação desenvolvida em linguagem (c++) e atribuída à placa eletrônica arduino que tem a função de ler a programação e enviar os sinais digitais aos servos motores que também serão alimentados por uma fonte de tensão de 5V.
1. 
2. 
2.2. Primeiro robô
O primeiro robô mecânico foi criado por Roy J. Wensley, engenheiro elétrico da Westinghouse por volta de 1924, sede Pitsburgo, Pensilvânia, EUA. Ele foi capaz de criar um sistema de controle monitorado, no qual seu dispositivo tinha a capacidade de suportar um sistema de telefonia, ele conseguia ligar e desligar ou regular remotamente qualquer coisa que estivesse conectado a sua rede. Depois de três anos, foi criado o Televox, um robô que tinha a capacidade de realizar alguns movimentos básicos com o aspecto humano, de acordo com os comandos realizados por seu operador.
Em 1930, os robôs ganharam mais popularidade com o “nascimento” de WillieVocalite. Ele possuía o formato dos robôs que aparecem nos filmes antigos de ficção. Sua altura era de 2 metros e seu corpo de aço, e tinha a função de ligar igual ao Televox. A notável diferença entre eles era que Willie executava todos os seus comandos através de comandos de voz.
1. 
2. 
2.1. 
2.2. 	Eletrônica	
Em 1954, o inventor GeogerDevol desenvolveu o primeiro robô automático, chamando Unimate, o primeiro robô comercial de uso industrial. Ele teve seu início de trabalho na GM (General Motors) no ano de 1961. Sua função era de coletar pedaços quentes de metal e com isso ele tinha que colocar as peças nos chassis dos carros. Seu peso era de aproximadamente 1.800 kg e seus comandos eram obedecidos através de fitas magnéticas.
Em 1981, o engenheiro TakeoKanade desenvolveu o primeiro braço mecânico com motor instalado diretamente nas junções do braço, isso fez com que os movimentos se tornassem mais precisos e rápidos.
2.3.	Os robôs no Brasil e no mundo
O assunto no Brasil ainda parece estar um pouco distante. Jackson Matsuura é professor da área de sistemas de controle do ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) e também coordenador da seleção brasileira de robótica diz que o Brasil tem uma grande qualidade de pesquisa teórica, mas por outro lado a aplicação pratica é bem restrita, ou seja, tudo o que é planejado acaba não saindo do papel.
Por outro lado, a automação industrial é muito forte, pois conta com a força do parque industrial do Brasil e impulsiona a produção de novas tecnologias.
Diferentemente do nosso pais, o Japão está em um patamar totalmente diferente com relação à robótica. Lá, não só as indústrias participam do desenvolvimento e da pesquisa, como são as maiores patrocinadoras, lançando no mercado vários modelos de robôs. Além disso, o Estado também tem atuação muito forte, trabalhando em conjunto com as universidades.
Um bom exemplo de atuação do Estado no financiamento está na cidade japonesa de Osaka. Lá o poder municipal é um dos que mais investe no setor. A universidade municipal de Osaka criou a ‘Cidade dos Robôs’, um prédio habitado por robôs e humanos, que será utilizado para pesquisar a interatividade entre as máquinas e os homens.
Dados da Federação Internacional de Robótica indicam que em 2001 existiam 756 mil robôs industriais no mundo. Cerca de 360 mil estavam no Japão e outros 99 mil na Alemanha. Em 2005, o número total de robôs na indústria ultrapassou a casa dos 900 mil. Destes 373 mil estavam no Japão, 139 mil naAmérica do Norte e 297 mil na Europa. O Brasil tinha em 2.600 unidades de robôs industriais no ano de 2005.
Nos EUA, o maior incentivador das pesquisas é o governo, por meio do aparato militar e da NASA dentro das pesquisas espaciais. A indústria americana participa muito pouco do desenvolvimento da robótica.
Bases Teóricas
O braço robótico nomeado por MP é constituído por uma estrutura em madeira do tipo MDF, eixos usinados e roscados, servos motores e a parte eletrônica para automação 
3.1.	 Estrutura
A estrutura feita em madeira do tipo MDF, termo em inglês (médium density fiberboard) que significa placa de fibra de média densidade e foi escolhido pelo grupo por motivos relevantes para construção estrutural do braço.
O primeiro motivo é por ser um material com uma certa rigidez que suporte o torque exercido pelos servos motores sem que haja deformação plástica ou de ruptura.
O segundo motivo é por ser um material versátil, muito fácil de encontrar em lojas de marcenaria e fácil manuseio para a fabricação das peças.
Ao estudar sobre o material encontramos em alguns sites de pesquisas a composição, fabricação e as propriedades da madeira do tipo MDF dado pelo fabricante. Fabricada com 82% de fibras de madeira leve tipo (Eucalipto) e 10% de resina sintética, 7% de agua, menos de 1% de parafina e 0,05% de silício. No processo de fabricação do mdf a madeira é triturada, tratada termicamente e mecanicamente e transformada em fibras, que são aglomeradas com a resina e prensadas a altas temperaturas. A densidade declarada pelos fabricantes variam entre 700 e 800 kg/m^3, e as espessuras das chapas variam entre 2,5 e 30mm.
Muito usado em construção civil, artesanatos em geral, projetos de interiores, etc.
Os testes realizados no MDF segundo a Madeira Wood.
As propriedades físicas (densidade, inchamento e absorção) e mecânicas (resistências à tração perpendicular, superficial, arrancamento de parafuso, MOR e MOE) dos corpos de prova dos painéis MDF foram determinadas em equipamento de ensaio universal atendendo as normas ABNT NBR 15316-3 (2006). Foram analisados 24 corpos de prova quanto a inchamento e absorção, resistência à tração perpendicular ao plano e resistência superficial, e 16 corpos de prova para o módulo de ruptura, módulo de elasticidade e resistência ao arrancamento de parafuso, sendo:
• Inchamento e absorção (%): corpos de prova de painel MDF (50 x 50 mm) imersos em água (24 h; 20ºC) avaliando-se o incremento em espessura e aumento em massa;
	
• Resistência à tração perpendicular ao plano (N/mm²): corpos de prova (50 x 50 mm) submetidos à força aplicada perpendicularmente até a ruptura do centro do painel;
• Resistência superficial (N/mm²): corpos de prova de painel MDF (50 x 50 mm) submetidos à força perpendicular, promovendo arrancamento de área da camada superficial;
• Módulo de Ruptura - MOR (N/mm²): corpos de prova (50 x 380 mm) submetidos à força até ruptura; face limitação de comprimento das chapas laboratoriais – máximo 380 mm– nas avaliações de MOR e MOE o apoio foi reduzido de 50 para 30 mm;
• Módulo de elasticidade - MOE (N/mm²): corpos de prova de painel MDF (50 x 380 mm) submetidos à aplicação de força para determinação de constante que expressa a rigidez durante o regime elástico;
• Resistência ao arrancamento de parafuso (kgf): corpos de prova (50 x 70 mm) submetidos ao arrancamento de parafuso na sua superfície e topo.
A determinação dos perfis de densidade e dos valores de densidade máxima, média e mínima dos corpos de prova dos painéis MDF foi realizada através da emissão e atenuação dos raios X. Propriedades físicas e mecânicas dos painéis MDF de E. grandis. A -módulo de ruptura e elasticidade; B - resistência à tração perpendicular; C - resistência superficial; D - arrancamento parafuso face; E - inchamento e absorção; F - arrancamento de parafuso topo.
Resultados:
	Propriedades
	Média dos valores medidos
	Densidade média (kg/m^3)
	650 kg/m³
	Inchamento e absorção (%)
	 9,5 e 56,1%
	Resistência à tração perpendicular ao plano (N/mm²)
	1,01 N/mm²
	Resistência superficial (N/mm²)
	136 kgf
	Módulo de Ruptura - MOR (N/mm²)
	36,1 N/mm²
	Módulo de elasticidade - MOE (N/mm²)
	3776 N/mm²
	Resistência ao arrancamento de parafuso (kgf)
	123 kgf 
4.1. Tamanho das peças estruturais.
Mesa giratória - com diâmetro 145mm
Coluna - com 260 mm de comprimento
Braço 1 - com 210 mm de comprimento
Braço 2 - com 60 mm de comprimento
4.2. Funcionamento estrutural
O braço robótico MP é formado por peçasestruturais com 4 graus de liberdade com articulações rotativas que movem-se de acordo com o comando aprendido e executado pelo controle de pilotagem, na ponta do braço robótico contamos com uma garra constituída por um mecanismo de fuso e porca para abertura e seu fechamento.
 Chamamos de mesa giratória a base da coluna que está equipada com um servo motor de 11 kgf.cm a uma tensão de 6.8V e seu movimento é rotacional na horizontal do plano 3d, assim o braço completamente esticado consegue atingir um raio de 530mm e liberdade de 180° sendo 90° a direita do braço e 90° a esquerda do braço.
 O que chamamos de coluna do braço robótico tem um grau de liberdade e um movimento rotacional para frente e para trás com uma regulação de 45° para trás e 145° para frente e está equipado com um servo motor de 25 kgf.cm de torque à 6.8V, dimensionado via os cálculos para suportar até 80 gramas na garra. 
Assim como a coluna o braço 1 também está com um servo motor de 25 kgf.cm à 6.8V com um grau de liberdade e seu movimento rotacional está atrelado ao eixo z subindo e descendo o braço, conseguindo ficar totalmente na vertical, assim colinear e a 150° em relação a coluna. 
 O braço 2 está submetido a menos torque, devido a curta distância para com a garra e pouco peso, assim o servo motor de 11kgf.cm à 6.8V foi aplicado seu movimento de rotação está em 180° em relação a vertical (eixo z), ficando 90° acima do braço 1 e 90° abaixo do braço 1.
 Na garra foi utilizado um servo motor de 9kgf.cm à 6.8V de rotação continua, assim quando acionado ele aperta e solta um fuso de sua porca fazendo com que feche e abra a garra respectivamente.
4.3. Braços robóticos industriais
O braço robótico é um equipamento mecânico automatizado por componentes eletrônicos, existem diversas formas e tipos de braços robóticos no mercado e na indústria.
Conforme a demanda por produtos e serviços vem crescendo, a tecnologia nas industrias vem crescendo em paralelo para atender a população, em um mundo onde homens estão sendo trocados por maquinas especificas e robustas.
A partir da terceira revolução industrial a automatização nas fabricas tem se desenvolvido cada vez mais, com ferramentas mais modernas para otimização do tempo e precisão na qualidade de fabricação. Os braços robóticos industriais tem um papel muito importante nessa revolução, desempenham trabalhos onde necessita de operações repetidas, agilidade e muita precisão. 
Os braços robóticos industriais podem transportar cargas e realizar trabalhos.
Existe vários tipos de robôs dependendo da sua função podemos definir quatro categorias para os robôs.
4.3.1 Robô não servo
Usado, principalmente, para carga e descarga. Este robô industrial costuma pegar um objeto, transportar e colocar em outro lugar
.
4.3.2 Robô servo
Este é mais flexível e possui maior movimento. Ele possui apêndices robóticos que funcionam como os braços e as mãos de um robô e por isso desempenha funções variadas.
4.3.3 Robô programável
Este robô industrial armazena comandos em um banco de dados, o que significa que pode repetir uma tarefa num pré-determinado número de vezes.
4.3.4 Robô programável por computador
Estes robôs industriais, como o próprio nome diz, podem ser controlados remotamente através de um computador.
Podendo ter sua base fixa ou móvel, dependendo de qual função vai se realizar.
Materiais e Métodos 
	Peça 
	Quantidade
	Tamanho
	Servo Motor Micro 9g
	3
	
	Servo Motor MG 996R
	2
	 
	Kit de Engrenagens
	1
	 
	Eixo Retificado
	2
	4 x 350 (mm)
	Kitcom 10 Rolamentos
	2
	4 x 13 x 15 (mm)
	MDF
	10
	3 mm
	MDF
	10
	6 mm
	MDF
	10
	9 mm
	MDF
	10
	15 mm
	Compensado Base/Base Robô
	2
	 
	Barra Roscada
	1
	 
	Arduíno
	-
	 
	Fios
	-
	 
	Potenciômetro
	-
	 
	Fonte de Tensão
	-
	 
	SuperBonder
	-
	 
	Araldite
	-
	 
	Cola / Parafusos
	1
	 
	Ponte H Dupla
	1
	 
	Corte Coluna / Braço L
	4
	 
	Brocas de Madeira
	1
	 
Cálculos
Coluna (determinar carga crítica de flambagem, tensão crítica e índice de esbeltez)
Momento de inércia (Seção Transversal) 
(mm)
Para este cálculo aproximamos nossa coluna a formas retangulares onde temos uma viga em H sem formas cilíndricas.
Teorema de Steiner
Centro de gravidade em X
Centro de gravidade em Y
Momento de inércia em X (Retângulos)
Momento de inércia em Y (Retângulos)
Para o primeiro passo temos de encontrar o centro de gravidade em X e em Y de forma analítica.
Cg1= (3; 130)
Cg2= (61; 130)
Cg3= (119; 130)
Cgtotal= (61; 130)
Agora temos condições de encontrar o centro de gravidade X, Y da figura Cg total.
Centro de gravidade em X
Centro de gravidade em Y
Agora temos total condição de calcular o momento em X e em Y.
Enfim podemos determinar a carga crítica de flambagem, vamos usar o menor momento de inércia para considerar a carga crítica mínima que nossa coluna irá suportar.
6.1. 	Carga crítica de flambagem = Pcr
Dados:
Coeficiente de elasticidade do Mdf Cru = E = 2941,89Mpa
K= Tabela para viga com os dois pontos em movimento = 1
L = comprimento da viga = 260mm
I= Momento mínimo de inércia = 17714623,33mm^4
6.2.	Tensão crítica de flambagem
6.3.	Índice de esbeltez
Braço 1 :(determinar a tensão máxima de flexão com o braço esticado)
6.4.	Momento de inércia (Seção Transversal)
(mm)
Para o primeiro passo temos de encontrar o centro de gravidade em X e em Y de forma analítica.
Cg1= (3; 105)
Cg2= (43,5; 105)
Cg3= (84; 105)
Cg total= (43,5; 105)
Agora temos condições de encontrar o centro de gravidade X, Y da figura Cg total.
Centro de gravidade em X
Centro de gravidade em Y
Agora temos total condição de calcular o momento em X e em Y.
6.5.	Momento Fletor
6.6.	Tensão de flexão (mínima – máxima)
C= Centro de gravidade y
M= Momento fletor
I= Momento de inércia
6.7.	Cálculos para determinação dos Servo Motores
A: Mesa giratória
B: Articuladora
C: Coluna
D: Braço 1
E: Articuladora
F: Garra
G: Espaçadora (vista transversal)
Dados
	Dados do Material 
	 
	 
	Material
	Madeira MDF cru
	 
	 
	Densidade
	700Kg/m^3
	 
	 
	Espessura
	6mm
6.8.	Coluna e braço 1 -Peças à serem calculadas
Vista frontal
6.9.	Articuladoras coluna e braço 1 
Vista frontal
6.10.	Espaçadoras coluna e braço 1
Vista transversal
6.11.	Cálculo da massa de cada peça constituinte da estrutura do braço
Coluna (B-C) + Espaçadora
Braço 1 (C-D) + Espaçadora
Articuladoras (A-B) & (D-E)
Base Giratória (A)
Massa distribuída entre os pontos (A-F)
Massa total = 1,526Kg
6.13.	Cálculo do Torque necessário para cada Motor
Será necessário desconsiderar o peso dos motores (b,c,d) nas massas (MAB,MBC,MCD) porque vamos considerar o torque dos motores individualmente
	Dados
	 
	
	
	
	 
	Comprimento (cm)
	
	MASSA (Kg)
	 
	
	
	
	 
	Raio A
	0,725
	
	MA
	0,0694
	LAB
	6
	
	MAB
	0,1138
	LBC
	26
	
	MBC
	0,3495
	LCD
	21
	
	MCD
	0,253
	LDE
	6
	
	MDE
	0,034
	LEF
	9
	
	MEF
	0,668
	 
	 
	 
	M(motor)
	0,06
Motor da base giratória (A)
Motor da coluna (B)
Motor do Braço (C)
Motor Articuladora (D)
Conclusão e Comentários
Bibliografia 
http://www.remade.com.br/br/revistadamadeira_materia.php?num=1496&subject=Pain%E9is&title=Propriedades%20de%20pain%E9is%20MDF%20de%20Eucalipto
http://www.cimautomacao.com.br/lp/braco-robotico-industrial.php
https://www.pollux.com.br/blog/robos-industriais-tudo-o-que-voce-precisa-saber/
Anexos