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APS (APRESENTAÇÃO PRATICA SUPERVIZIONADA) Braço Robótico Autores:Kaique Araujo Feitosa Ra: D120FG6 EM5P Henrique de Souza Lima Ra: D1266C5 EM5P Bruno Soares Nascimento Ra: N742BC4P EM5P Caio Gonçalves de Mello Ra: C970JF7 EM5P Vitor Hugo da Paixão Lana Ra: C898BG4 EM6Q Felipe de Oliveira Alves Ra: C784D7 EM6Q 1 SUMARIO 1.INTRODUÇÃO ................................................................................................ 2 2. OBJETIVO ...................................................................................................... 3 3. MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................... 4 4.1 ELÉTRICO ................................................................................................ 7 4.1.1 BATERIA ................................................................................................ 7 4.1.2 CIRCUITOS ........................................................................................... 9 4.1.3 PLACA DE ARDUINO E MOTOR .......................................................... 9 4.1.4 MOTORES ........................................................................................... 10 4.1.5 SERVO MOTOR .................................................................................. 10 4.1.6 BRAÇO MECANICO ............................................................................ 11 4.1.7 PROGRAMAÇÃO ................................................................................ 11 5.1 ESPESIFICAÇÃO DO SERVO MOTOR ................................................. 12 5.2 ESPECIFICAÇÃO GARRA ROBOTICA .................................................. 14 5.2 PROCESSO DE MONTAGEM ................................................................ 15 5.3 ESPECIFICAÇÃO DO MOTOR RPM ..................................................... 16 6.CALCULOS ENVOLVIDOS DO PROJETO ................................................... 18 6.1 CALCULO DO TORQUE......................................................................... 18 7. MATÉRIAS E MÉTODOS ............................................................................. 19 7.1 Base ........................................................................................................ 19 7.2 Mecânica (braço) .................................................................................... 19 7.3 Garra ....................................................................................................... 19 8. MODIFICAÇÕES .......................................................................................... 20 9. DESENHO DO PROJETO FINAL..................................................................21 10.CONCLUSÃO................................................................................................22 11.ANEXOS........................................................................................................23 11.1 Modelo Prototipo..................................................................................23 11.2 Ilustração do Sistema Eletrico..............................................................24 11.3 Esquema eletrico..................................................................................24 11.4 Orçamento............................................................................................25 11.5 Cronograma.........................................................................................25 2 1.INTRODUÇÃO O desafio da Atividade Prática Supervisionada para este 6º. Semestre de Engenharia mecânica será a um braço robótico onde o mesmo deve transportar corpo de prova para posições pré-estabelecidas de uma massa nominal de 570 gramas. Esse projeto, assim como o protótipo desenvolvido, está inserido no Campo de Pesquisa da Grande Área de Engenharias, sendo consideradas as subáreas: Engenharia Mecânica, quanto às normas de construção da parte mecânica do projeto; Engenharia Elétrica, no que tange ao controle de acionamento do carro e guindaste, e ao mesmo tempo, considerando os princípios de construção do eletroímã acoplado na extremidade do guindaste. Para o desenvolvimento do projeto considerou-se principalmente a assimilação do conteúdo das aulas de Física e Laboratório da nossa grade curricular, respaldados pela pesquisa acadêmica. A parte principal do projeto se deteve na construção de um braço robótico que seja possível deslocar um peso de 570 gramas nos locais determinados. Como um dos intuitos da APS em cada semestre, a fixação do conteúdo estudado, e para tanto, cumpre com seu objetivo, levando também a equipe a desenvolver habilidades específicas, estimulando o trabalho em equipe e a interação social primordial para o desenvolvimento humano. 3 2. OBJETIVO 2.1 OBJETIVO GERAL Complementar o protótipo do carro elétrico desenvolvido no semestre, construindo um guindaste com uma garra em sua extremidade, capaz de içar corpos de prova com massa de 570 gramas, e transportá-los para posições pré-estabelecidas ao longo de uma pista de 45cm de comprimento com 40 cm de largura. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Aplicar e assimilar, principalmente, os conceitos de Física e Laboratório, ensinados em sala de aula. Desenvolver o trabalho em equipe, a socialização, a fim de incentivar o desenvolvimento humano. Desenvolver o senso crítico, a maturidade intelectual através de todo trabalho de pesquisa, e com isso, ter embasamento acadêmico, para criar futuros formadores de opinião. Incentivar o interesse à pesquisa acadêmica para formação de futuros pesquisadores. Elaborar trabalhos seguindo as normas da ABNT, solicitada em pesquisas acadêmicas e científicas. 4 3.MATERIAL E MÉTODOS Considerou-se para o desenvolvimento deste projeto a pesquisa de natureza básica e aplicada com abordagem combinada e de caráter exploratório. A pesquisa bibliográfica, considerando como critério de inclusão a consulta a obras e sites acadêmicos, teses e dissertações de doutorado e mestrado, e a exclusão de artigos comerciais e não acadêmicos. A Ciência Aplicada neste projeto foi comprovada através da teoria inserida na grade curricular. A consulta aos professores foi de suma importância para o andamento e desenvolvimento do projeto. O processo de finalização de orçamentos junto a fornecedores contribuindo para a melhor opção de compra do material necessário. 5 4.FUNDAMENTAÇÃO TEORICA O guindaste tem por finalidade de criar vantagem mecânica através de uma ou mais máquinas para mover, elevar ou baixar materiais pesados. Os primeiros guindastes (Fig.1) surgiram na idade média, pelos os gregos antigos. Neste período a madeira era a matéria prima mais utilizada no desenvolvimento dessas máquinas, e seus acionamentos era por meio de esforço físico de homens ou animais, sua maior aplicação era no carregamento e descarregamento de navios. No século de 18 os guindastes passaram a ser acionado mecanicamente, através dos motores a vapor. Com a chegada da Revolução Industrial houve-se um grande avanço na construção dos novos guindastes, pois a matéria prima a ser utilizada foram ferro fundido e aço aumentando a capacidade de mover elevadas cargas. Os atuais guindastes são acionados por motores a combustão interna ou motores elétricos também através da implementação do sistema hidráulico permitindo que altas cargas sejam movidas com maior facilidade. Também a sua aplicação foi expandida para diversos seguimentos como construção civil, indústria mecânica, logística etc. Fig1 - Exemplar dos primeiros guindastes 6 Como a expansão do guindaste em diversos setores, houve a necessidade desenvolver cada tipo de máquina para atender esses segmentos. Abaixo os principais guindastes queexistem atualmente. Guindaste articulado; Guindaste florestal; Guindaste sucateiro; Guindaste de torre; Guindaste industrial; Guindaste rodoviário; Guindaste AT; Guindaste RT; Guindaste sobre esteira; Não iremos abortar cada um deles, somente o modelo que iremos seguir como base. O modelo que seguiremos para o desenvolvimento do nosso protótipo será o guindaste Torre (Fig. 2) é muito utilizado na construção civil. É basicamente constituída de aço, sua altura pode ser variada conforme a carga a ser movida ou elevada. Seus acionamentos podem ser feitos por sistema hidráulico ou motores elétricos vai variar conforme a necessidade da sua instalação e a carga a ser submetida. Essas torres podem elevar cargas de até 18 toneladas, é de extrema importância que essas máquinas sejam manuseadas por pessoas qualificadas e capacitadas. Fig2 - Modelo de Guindaste Torre 7 4.1ELÉTRICO O conceito inicial do protótipo é fazer com que ele transporte uma massa de 570 g até o local demarcado com uma garra de três dedos auxiliando. Os componentes que fazem parte do guindaste são: uma bateria, que alimentará todos os outros componentes, permitindo que eles exerçam as suas funções; o arduino e o motor shield, que tem a função de armazenar a programação e passar a mesma para os componentes elétricos; o motor, que é o componente que fará o protótipo se movimentar circularmente; e por fim o braço mecânico que é composto por quatro servos motores com finalidade de fazer a movimentação em vertical, para que possa pegar o objeto desejado utilizou-se uma garra de três dedos onde se acopla um servo motor para a movimentação da mesma. 4.1.1BATERIA A bateria é uma fonte de energia química que contém dois polos, positivo e negativo, quando colocado um condutor, como um fio de cobre em cada ponta, É gerada uma diferença de potencial (DDP). A diferença de potência elétrica ΔV entre dois pontos iniciais e finais é igual a diferença entre os potenciais elétricos dos dois pontos: ΔV=Vf - Vi = uf /q – Ui/q=ΔU/q Substituindo, é dada a equação da definição de diferença de potencial: VΔ= vê – Vi= -W/q A DDP pode ser caracterizada como a força que faz os elétrons se locomover de uma ponta positiva para outra ponta negativa. A unidade Da DDP é a quantidade de energia por carga que também é chamada de volt (V): J/C= V 8 É importante citar três fenômenos no sistema do protótipo que são: a resistência, corrente e a potência. Os elétrons livres (elétrons de condução) que existem no interior de um fio de cobre se movem em direções aleatórias com uma velocidade média de ordem de 10^6 m/s. se fizermos passar um plano imaginário perpendicularmente a um fio de cobre, elétrons de condição passaram pelo plano nos dois sentidos bilhões de vezes por segundo, mas não haverá um fluxo líquido de carga e, portanto, não haverá uma corrente elétrica no fio. Se ligarmos as extremidades do fio a uma bateria, porém, o número de elétrons que atravessam o plano em um sentido se tornara ligeiramente maior que o número de elétrons que atravessam o plano no sentido oposto; em consequência, haverá um fluxo líquido de cargas e, portanto, uma corrente elétrica no fio. (Citação direta HALLIDAY, RESNICK, 1916 apud Geral Walker, 2010, pg.141). A corrente é o fluxo de elétrons dentro de um condutor. A corrente pode ser caracterizada como quantidade de carga por segundo dada por: C/S= A A resistência elétrica é a capacidade de um corpo opor-se a passagem de corrente. Todos componentes do incluindo os condutores de cobre tem sua própria resistência que também depende de como um DDP é aplicada (HALLIDAY, 1916 apud Geral Walker, 2010) A resistência é apresentada por tensão sobre a corrente; A unidade da resistência é ohm (Ω). V/I= R A potência elétrica é um fenômeno importante a ser citada, que também ocorre no sistema do protótipo. A potência e dada pela taxa de transferência de energia elétrica: P=I*V= (j/c) * (c/s) = j/s= W Além disso, P é a taxa com a qual a energia é transferida da bateria para o componente. Se o componente é um motor acoplado a uma carga mecânica a energia se transforma no trabalho realizado pelo motor sobre a carga. Se o componente é uma bateria recarregável a energia se transforma na energia química 9 armazenada na bateria. Se o componente é um resistor a energia se transforma em energia térmica e tende a provocar um aumento da temperatura do resistor. (Citação direta RESNICK, HALLIDAY, 1916 apud Geral Walker, 2010, pg. 154). 4.1.2 CIRCUITOS Todos os componentes do protótipo incluindo a bateria estão ligados por circuitos series e paralelos. Segundo kirchhoff, Na regra das malhas, a somatória de todas as variações de potência numa malha fechada é sempre zero. (HALLIDAY, 1916, apud Jearl Walker, 2010, pg.170). Kirchhoff também diz, que A regra dos nós é a soma de todas as correntes que entram em um no é a mesma que sai do nó. (HALLIDAY,1916 apud Jearl Walker, 2010) A Ligação em série é quando todos os componentes estão ligados juntos, passando um condutor por todos os componentes até o outro polo da bateria, assim ficando com a mesma corrente, mas dividindo a tensão para cada componente dependendo de sua resistência interna. Já a ligação em paralelo é quando há um nó para dividir os componentes no circuito, fazendo com que a tensão seja a mesma em todos os componentes, mas a corrente que atravessa os componentes seja diferente dependendo da resistência e do circuito. A bateria do protótipo é um amontoado de baterias mais fracas, que ficam ligadas em um circuito paralelo e serie fazendo com que haja a tensão e corrente necessária para os motores funcionarem. Por outro lado, todos os componentes estão ligados à umabateria, fica responsável por alimentar o motor, os servos motores e os demais componentes estéticos. Todos os componentes incluindo os motores estão ligados a um circuito paralelo para que aja a mesma DDP em todos os componentes. 4.1.3 PLACA DE ARDUINO E MOTOR Os componentes em seguida é o arduino, que é um hardware e tem o objetivo de armazenar todos os dados da programação e passar os mesmos para o motor shield, que tem a função de passar para os componentes elétricos os comandos da programação. Utiliza-se umaarduinoparao braço mecânico. 10 4.1.4 MOTORES Os motores têm a função de proporcionar movimento ao protótipo. Como explica a lei de Lenz, quando se tem uma espiral de fios de cobre, e essa espiral é energizada criasse um campo como um dipolo magnético com polo sul e polo norte funcionando como um imã. (HALLIDAY, RESNICK, 1916, apud Jearl Walker, 2010) Um motor funciona com o mesmo princípio, um imã no eixo do motor e espiras (bobinas) em volta. Quando é energizada uma bobina, que fica o polo sul ou norte, o eixo do motor se redireciona para a mesma, assim energizando e tirando energia de uma bobina após a outra, fazendo com que o eixo fique girando. Logo o eixo do motor é preso na base inferior e com isso tendo o movimento circular do guindaste. 4.1.5 SERVO MOTOR O servo motor é uma máquina, eletromecânica muito utilizado em projetos de automação com necessidade de controle preciso de torque, velocidade e posição. Diferente dos motores contínuos que giram indefinidamente, os eixos dos servos motores realizam movimentos em determinados ângulos, a maioria tem liberdade máxima de 180º graus. Os servos podem fixar em uma posição dentro do limite da sua angulação máxima por meio de comandos estabelecidos pela programação presente no arduino, assim, controlando de forma mais efetiva sua posição https://www.citisystems.com.br/servo-motor/ https://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor 11 4.1.6 BRAÇO MECANICO O braço mecânico, é o componente doguindaste que estabelece o raio de giro em que as cargas poderiam ser movimentadas, pode ser manual ou motorizado. Ele se baseia em um sistema de alavanca, pois com a existência de uma força, sendo aplicada por um motor em uma extremidade do braço e pelo comprimento do mesmo, ele é capaz de erguer a carga. Esse esforço necessário pode ser calculado pelo torque. F*D= T Para construir o nosso protótipo foi utilizado o MDF, como em qualquer empresa ou indústria, a escolha para confeccionar o produto, levou em consideração a qualidade do material e o custo benefício. O material deve ser resistente, capaz de suportar uma determinada tensão de cisalhamento dada pelo torque dividido pela área do braço. 𝝈 = 𝑻/𝑨 4.1.7 PROGRAMAÇÃO A programação tem como finalidade instruir diferentes tipos de mecanismos a executar uma função. Existem diversas linguagens de programação que podem ser utilizadas, variando com a necessidade e tipo de atividade que desejamos realizar com uma máquina. Para o nosso protótipo, utilizamos o código C para alimentar o arduino, programando a placa para dar ao guindaste os comandos que o permitirão realizar as funções que desejamos. 12 5. MEMORIAL DE CALCULOS DO PROJETO 5.1 ESPESIFICAÇÃO DO SERVO MOTOR Para o projeto utilizamos 4 servos motores de características iguais e um motor 12v DC, três servos são encarregados de movimentar o braço do guindaste vertical, e o motor 12v DC DE rotacional o braço do guindaste em um angulo de até 360° e um servo para acionar a garra do guindaste. Modelo Servo Motor: CYS – S8218 DIGITAL METAL GEAR SERVO Tensão de operação 6-7,2 V Tipo de Tipo de Engrenagem: metálica Modulação: analógica Velocidade de operação: 0,20seg/60graus (7,2V sem carga) Velocidade de operação: 0,22seg/60graus (6,0V sem carga) Torque: 13 kg.cm (4,8V) e 15 kg.cm (6,0V) Faixa de Rotação: 60° Tamanho cabo: 300mm Dimensões: 40 x 19 x 43mm Peso: 190g 13 Modelo Servo Motor: Tower-Pro MG995 Tensão de operação: 4,8-7,2V Tipo de Engrenagem: metálica Modulação: analógica Velocidade de operação: 0,17seg/60graus (4,8V sem carga) Velocidade de operação: 0,13seg/60graus (6,0V sem carga) Torque: 13 kg.cm (4,8V) e 15 kg.cm (6,0V) Faixa de Rotação: 60° Tamanho cabo: 300mm Dimensões: 40 x 19 x 43mm Peso: 69g O TowerPro MG995 é um servo de ótima qualidade e alto torque, perfeito para modelismo e projetos de robótica que exijam um servo mais resistente. Todas as suas engrenagens são metálicas, possui faixa de rotação de 180 graus e seus conectores são compatíveis com padrão Futaba, Hitec, Sanwa, GWS e outros. 14 5.2 ESPECIFICAÇÃO GARRA ROBOTICA Para o projeto escolhemos uma garra de material plástico pela necessidade de redução de peso, porem que atende nossas necessidades e desenvolvimento do projeto. A Garra Robótica Croc V2 foi remodelada e está ainda mais simples de montar! Durável, ótima para o desenvolvimento de projetos robóticos e automação. Ela possui uma abertura de 12,1cm, possibilitando segurar objetos grades com facilidade, como por exemplo, uma lata de refrigerante. A garra foi desenvolvida para ser usada com qualquer servo de tamanho padrão (standard), seja Hitec, Futaba, TowerPro, hexTronick, DFRobot, etc. Entretanto também é possível usar servos com engrenagens de metal, normalmente um pouco maiores. O kit acompanha dois padrões de braços de servos (horns), cobrindo os principais encaixes de servos do mercado (Spline 3F e C1). 15 Conteúdo do Kit: 06 x Peças plásticas do Kit Garra Croc 09 x Parafusos 01 x Arruela 02 x Braços para servos(3F & C1) 5.2 PROCESSO DE MONTAGEM 16 5.3 ESPECIFICAÇÃO DO MOTOR RPM Diâmetro do eixo: 6 mm Diâmetro da caixa de redução: 37mm Rotação nominal: 350 rpm Tensão: 24 Vdc Corrente (sem carga): 250 mA Corrente (máximo rendimento): 1 A Corrente (partida): 8 A Potência: 15 W Torque: 5 kgf.cm (máximo rendimento) / 8 kgf.cm (partida) Marca: Akiyama O motor com caixa de redução AK555/11.1PF12R83CE-V2 consiste numa forma simples e barata de se obter movimentação mecânica para dispositivos eletromecânicos. Motores compactos e potentes, com caixa de redução acoplada que diminui a sua velocidade e aumenta seu torque, para qualquer aplicação. Com rotação aproximada de 83 RPM. 17 Suporte para Motor – 37mm 1. Especificações Material: Aço Espessura: 1,5mm Altura:41,5mm Comprimento:51,5mm Furos de fixação: 3mm Suporte em "L" desenvolvido especialmente para auxiliar na fixação e montagem de motoredutores com caixas de redução de 37mm de diâmetro. Fabricados em chapas de aço de 1,5mm, possuem reforço extra para seu projeto. 18 6.CALCULOS ENVOLVIDOS DO PROJETO 6.1 CALCULO DO TORQUE Após analisarmos os servos motores, e as dimensões braço do sistema, podemos calcular quanto de peso maximoque o braço aguenta. Para a parte mais próxima da garra, tínhamos 2 servos para carregar o peso já definido T=15 kgfcm=1,471 Nm Como temos dois servos motores Tbraço=2,942 Nm 2,942=F*0,25 F=2,942/0,25=11,768 N m=F/g=11,768/10=1,1768 kg 19 7. MATÉRIAS E MÉTODOS 7.1 Base Utilizado um MDF (Medium-DensityFiberboard), de medida 1000 mmpor 1000 mm por 0.5 mm, que é composto por um tipo de madeira com resinas sintéticas e outros aditivos, como apoio da basefoi utilizado um coxins revestido por borracha no formato cilíndrico com uma rosca de M10 para a fixação. 7.2 Mecânica (braço) Para a fabricação do braço e suas articulações, foram utilizados duas peças retangulares de mdf para fazer a movimentação vertical, para a fabricação da mesma, uma serra mármore com guia e uma lixa de madeira para o acabamento do tipo GRÃO 180. Introduziu-se um reforço na entre os braços. Na realização do movimento vertical foram utilizados doisservos motores tower-prometálico com 180 graus de movimentação e 16kg/cm de torque, com tensão de trabalho de 6,0 volts e para a movimentação do braço inferior utilizamos um servo motor CYS de torque de 40kg/cm, porém o mesmo queimou durante os testes, com isto tivemos que optar por um método alternativo que foi introduzir um motor de caixa de redução de 24 V. Para a movimentação horizontal a base circular do tipo mdfusou-seum motor Akiyama com caixa de redução 12 volts e 83 rpm.7.3 Garra A garra é pré-fabricada por uma impressora 3D composta por plástico com as medidas de 110 mm de altura x 65 mm na base, com uma abertura de 50 mm, ideal para segurar firmemente corpos de característica cilíndrica. 20 8. MODIFICAÇÕES Primeiramente o projeto inicial se consistia em usar 6 hastes do material tipo acrílico, mas ao realizar os testes percebemos que seria mais viável com o intuito de ter uma ergonomia de projeto melhor mudamos o material para madeira compensada que se trata de uma peça de leve peso estrutural e de uma resistência aceitável para a finalidade do projeto. Ao realizar os testes no projeto o servo motor de 40kf/ cm queimou e com isso tivemos que projetar um motor de RPM com uma chave de liga/desliga. Especificações das peças 1º haste 30x9x1 cm 2º haste 25x9x1 cm Junção 10x8x1 cm Base 13x13x1 cm Mdf 100x100x3 cm 21 9.DESENHO 22 10. CONCLUSÃO Os procedimentos apresentados neste relatório, tem com objetivo de facilitar a execução do protótipo, prospectando um trabalho de qualidade e respeitando as normas solicitadas neste protótipo. Acredite- se que para termos sucesso na execução do protótipo é atenda-se as possíveis falhas que podem apresentar no decorrer do processo, com isso concluímos que em todas as fases de desenvolvimento do guindaste o detalhe vai ser o ponto primordial na execução do projeto. Gostaríamos de ressaltar a participação e comprometimento de todos participante desse projeto. 23 11. ANEXOS 11.1 - Modelo protótipo 11.2 - Ilustração do sistema elétrico 24 11.3 - Esquema elétrico 25 11.4 orçamento Orçamento Produto Valor Madeira MDF 100X100x3 mm - Madeira compensada 100x100x4 mm - Servo Motor CSY R$ 120,00 Servo Torpor MG995 Metálico (4) R$ 100,00 Apoiador da base superior (4 unidades) - " Uno R3 SMD CH340 - Arduino Compatível com cabo " R$ 53,00 Modulo Bluetooth - HC-05 R$ 50,00 Colori- preto R$ 16,00 Garra Robótica 3 Dedos R$ 55,00 "Case Para Placa Arduino Micro para o, Impressão 3d, Robótica " R$ 5,90 Mini protocolar 170 Pontos - Transparente R$ 9,00 Fita Led 5050 5 Metros C/ Silicone Branco Frio + Fonte 3a R$ 23,00 Parafusos, porcas e diversos R$ 36,00 Fios, termo retrátil e diversos R$ 51,00 Abraçadeira Nylon Enforca Gato 2,5 X 100mm 100 Unid. - Bateria 5ah 12v 5a Amperes Moura - Valor total previsto R$ 410,90 CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO DO PROTOTIPO Data Fase desenvolvimento Sábado Domingo 07.07.2018 08.07.201 Montagem dos suportes e bases superiores e inferiores 14.07.2018 15.07.2018 Montagem dos braços e garras robóticas 21.07.2018 22.07.2018 Implementação dos componentes eletrônicos 28.07.2018 29.07.2018 Pintura 04.08.2018 05.08.2018 Testes do protótipo 11.08.2018 12.08.2018 Testes do protótipo 18.08.2018 19.08.2018 Testes do protótipo 11. 5- Cronograma 26
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