Ministério da Educação e do Desporto.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Departamento Acadêmico de Eletrônica.
Diretoria de Ensino.
Disciplina de Projeto Final II.
Professor Wolney Edirley Gonçalves Betiol.
ROBÔ HEXÁPODE ESCALADOR DE
SUPERFÍCIES FERROMAGNÉTICAS
Equipe:
Carlos Augusto Luguesi
Jean George Boss
Marcos Vinícius Freitas
Rafael José Daciuk
Renato Leite Urzedo
CURITIBA
2006
Carlos Augusto Luguesi
Jean George Boss
Marcos Vinícius Freitas
Rafael José Daciuk
Renato Leite Urzedo
ROBÔ HEXÁPODE ESCALADOR DE
SUPERFÍCIES FERROMAGNÉTICAS
Trabalho apresentado para a
disciplina de Projeto Final II, sob
orientação do professor Wolney
Edirley Goncalves Betiol, referente
ao projeto de final de curso de
Engenharia Eletrônica durante o
segundo semestre letivo de 2005.
Professor Orientador: Flávio Neves
Jr., Dr.
CURITIBA
2006
ii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS................................................................................................. VI
LISTA DE TABELAS ................................................................................................ IX
RESUMO ................................................................................................................... X
ABSTRACT ............................................................................................................... X
1
INTRODUÇÃO ...................................................................................................1
1.1 ESCOPO ....................................................................................................1
1.2 JUSTIFICATIVA E MOTIVAÇÃO................................................................2
1.3 OBJETIVOS ...............................................................................................3
1.4 APRESENTAÇÃO DA ESTRUTURA DO RELATÓRIO .............................3
2
ESTUDO DO DOMÍNIO DO PROBLEMA ..........................................................5
2.1 HISTÓRICO DA ROBÓTICA......................................................................5
2.2 ROBÔS EXISTENTES ...............................................................................7
2.3 PROPRIEDADES INDUSTRIAIS .............................................................15
2.3.1
2.3.2
3
FIXADORES ELETROMAGNÉTICOS .....................................................16
ROBÔS ESCALADORES ....................................................................18
DESENVOLVIMENTO......................................................................................20
3.1 MODELAGEM DO SISTEMA ...................................................................20
3.1.1 DIAGRAMA DE CASOS DE USO ..........................................................20
3.1.1.1 Descrição dos Casos e Atores...............................................21
3.1.2 LEVANTAMENTO DAS CLASSES .........................................................22
3.1.3 DIAGRAMAS DE SEQUÊNCIA .............................................................24
3.1.4 ESPECIFICAÇÕES NÃO FUNCIONAIS ...................................................26
3.2 MODELAGEM DO MOVIMENTO DO ROBÔ ...........................................27
3.2.1 MODOS ..........................................................................................27
3.2.1.1 Modo Normal .........................................................................28
3.2.1.2 Modo Crab .............................................................................28
3.2.1.3 Modo Rotacionar ...................................................................28
3.2.2 MARCHAS .......................................................................................28
3.2.2.1 Marcha Wave.........................................................................29
3.2.2.2 Marcha Ripple........................................................................31
3.2.2.3 Marcha Tripod........................................................................32
3.2.2.4 Marcha Climb.........................................................................33
3.2.3 LIMITES ..........................................................................................34
3.2.4 EFEITO DE ARRASTE........................................................................36
3.2.5 CINEMÁTICA ....................................................................................39
3.2.5.1 Cálculo da Cinemática Direta ................................................42
iii
3.2.5.2 Cálculo da Cinemática Inversa ..............................................45
3.2.6 TRAJETO DAS PATAS .......................................................................47
3.3 MÓDULO MECÂNICO .............................................................................50
3.3.1 ESTUDO DA ESCALABILIDADE ...........................................................50
3.3.2 ESTRUTURA MECÂNICA DO ROBÔ .....................................................57
3.3.2.1 Chassis ..................................................................................58
3.3.2.2 Pernas ...................................................................................59
3.3.2.3 Peças.....................................................................................60
3.3.2.4 Composição do Material ........................................................60
3.3.2.5 Graus de Liberdade ...............................................................62
3.3.2.6 Servos ...................................................................................64
3.3.3 DECISÃO DO ROBÔ A SER COMPRADO ..............................................68
3.3.4 PATAS MAGNÉTICAS ........................................................................70
3.3.4.1 Requisitos ..............................................................................71
3.3.4.2 Soluções Apontadas..............................................................72
3.3.4.3 Estudo de ímãs permanentes ................................................76
3.3.4.4 Sistema de fixação empregado .............................................79
3.3.5 FIXAÇÃO DO CARRETEL À PATA .........................................................83
3.4 MÓDULO DE HARDWARE ......................................................................85
3.4.1 FONTE DE ALIMENTAÇÃO .................................................................85
3.4.2 CONTROLE .....................................................................................87
3.4.2.1 MotherBoard para o DSP TMS320C6711D ...........................89
3.4.2.2 DaughterBoard ......................................................................93
3.4.2.3 Placa de Acionamento dos Eletroímãs ..................................96
3.4.2.4 Módulo Conversor RS-232/RS-422 .......................................98
3.5 MÓDULO DE SOFTWARE ....................................................................101
3.5.1 PROJETO DO SOFTWARE SIMULADOR/CONTROLADOR(IHM)..............101
3.5.1.1 Diagrama de Casos de Uso.................................................101
3.5.1.1.1 Simulador..........................................................................102
3.5.1.1.2 Controlador .......................................................................104
3.5.1.2 Diagrama de Classes ..........................................................105
3.5.1.3 Diagramas de Seqüência ....................................................114
3.5.2 SOFTWARE SIMULADOR/CONTROLADOR DE ROBÔ HEXÁPODE..........120
3.5.2.1 Tecnologias Utilizadas .........................................................121
3.5.2.1.1 OPENGL (API)..................................................................121
3.5.2.1.2 COMPORT .......................................................................122
3.5.3 SOFTWARE TEMPO REAL .......................................................122
4
GESTÃO.........................................................................................................125
4.1 ANÁLISE INICIAL...................................................................................125
4.2 SISTEMAS E SUB-SISTEMAS ..............................................................128
4.3 CRONOGRAMA .....................................................................................129
4.4 RESPONSABILIDADE DAS AÇÕES E CUSTOS ..................................132
4.5 ANÁLISE DE RISCOS............................................................................134
4.6 CUSTOS FINANCEIROS .......................................................................134
5
PLANO DE NEGÓCIOS .................................................................................136
iv
5.1 RESUMO EXECUTIVO ..........................................................................136
5.2 DEFINIÇÃO DO NEGÓCIO: VISÃO, VALORES E DIFERENCIAIS
ESTRATÉGICOS............................................................................................137
5.2.1 MISSÃO ........................................................................................137
5.2.2 VISÃO ..........................................................................................137
5.2.3 VALORES ......................................................................................138
5.2.4 DIFERENCIAIS ESTRATÉGICOS ........................................................138
5.3 OBJETIVO..............................................................................................138
5.3.1 OBJETIVO INTERMEDIÁRIO ..............................................................139
5.4 PRODUTOS E SERVIÇOS ....................................................................139
5.4.1 DESCRIÇÃO DO PRODUTO ..............................................................139
5.4.1.1 Análise do Usuário...............................................................140
5.4.2 ANÁLISE COMPARATIVA .................................................................141
5.4.3 TECNOLOGIA .................................................................................142
5.4.4 PRODUTOS E SERVIÇOS FUTUROS ..................................................144
5.5 ANÁLISE DE MERCADO .......................................................................145
5.5.1 SEGMENTAÇÃO DE MERCADO.........................................................145
5.5.1.1 Empresas da Área de Exploração Petrolífera......................145
5.5.1.2 Empresas Frotistas de Navios .............................................146
5.5.1.3 Empresas Especializadas em Inspeção ..............................146
5.5.2 SEGMENTO ALVO ..........................................................................147
5.5.3 NECESSIDADES DO MERCADO ........................................................147
5.5.4 TENDÊNCIAS DO MERCADO ............................................................147
5.5.5 CRESCIMENTO DO MERCADO .........................................................148
5.5.6 ANÁLISE DA INDÚSTRIA ..................................................................148
5.5.6.1 Players.................................................................................148
5.5.6.2 Grupos de Pesquisa ............................................................148
5.5.6.3 Empresas de Inspeção ........................................................149
5.5.7 FORNECEDORES ...........................................................................150
5.6 ESTRATÉGIA E IMPLEMENTAÇÃO .....................................................151
5.6.1 DEFINIÇÃO DA OFERTA E DA PROPOSTA DE VALOR ............................151
5.6.2 ESTRATÉGIA DE MARKETING ..........................................................152
5.6.2.1 Estratégia de Preços ...........................................................152
5.6.2.2 Estratégia de Promoção ......................................................152
5.6.2.3 Estratégia de Vendas ..........................................................153
5.6.3 PLANO DE VENDAS ........................................................................153
5.6.4 ALIANÇAS ESTRATÉGICAS ..............................................................153
5.7 GESTÃO ................................................................................................154
5.7.1 ESTRUTURA ORGANIZACIONAL .......................................................154
5.7.2 EQUIPE .........................................................................................155
5.8 PLANO FINANCEIRO ............................................................................155
5.8.1
5.8.2
5.8.3
5.8.4
6
PROGRAMA DE VENDAS .................................................................155
CUSTOS OPERACIONAIS ................................................................157
PROJEÇÃO DE RESULTADOS ..........................................................158
RETORNO DO INVESTIMENTO ..........................................................158
CONCLUSÃO.................................................................................................160
v
REFERÊNCIAS BIBIOGRAFICAS .........................................................................164
ANEXOS .................................................................................................................165
vi
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - Casco de navio: grande área para ser inspecionada...............................2
FIGURA 2 - Teste do Robô Rest1...............................................................................9
FIGURA 3 - Robô escalador com rodas de ímã permanente, desenvolvido pelo
CENPES ............................................................................................................10
FIGURA 4 - Robô Lamp Ray da Imetrix Inc. .............................................................11
FIGURA 5 - Robô MeasureMate da Red Band. ........................................................12
FIGURA 6 - Robô Resonance Thickness Measurement - da DnV/Oceaneering.......12
FIGURA 7 - Robô Octopus da Cybernetix.................................................................13
FIGURA 8 - Robô Crawler da COPPE ......................................................................13
FIGURA 9 - Veículo à Cabo da Petrobrás.................................................................14
FIGURA 10 - Robô Underwater P-Scan 4 do Force Institute ....................................14
FIGURA 11 - ROV da Consub...................................................................................15
FIGURA 12 - Modelo proposto pela patente EP1193724..........................................16
FIGURA 13 - Modelo proposto pela patente GB1469463 .........................................17
FIGURA 14 - Corte AB do modelo proposto pela patente GB1469463.....................17
FIGURA 15 - Diagrama de casos de uso do projeto .................................................21
FIGURA 16 - Diagrama de seqüência para o modo simulador .................................24
FIGURA 17 - Diagrama de seqüência para o modo controlador sem simulação ......25
FIGURA 18 - Diagrama de seqüência para o modo controlador com simulação ......26
FIGURA 19 - Sentidos de movimentos do robô ........................................................27
FIGURA 20 - Sentidos dos movimentos e índice de cada pata.................................29
FIGURA 21 - Legenda para os gráficos das marchas em relação ao tempo ............29
FIGURA 22 - Ordem de levantamento das patas para a marcha wave ....................30
FIGURA 23 - Gráfico da marcha wave em relação ao tempo ...................................30
FIGURA 24 - Ordem de levantamento das patas para a marcha ripple ....................31
FIGURA 25 - Gráfico da marcha ripple em relação ao tempo ...................................31
FIGURA 26 - Ordem de levantamento das patas para a marcha tripod....................32
FIGURA 27 - Gráfico da marcha tripod em relação ao tempo...................................33
FIGURA 28 - Ordem de levantamento das patas para a marcha climb ....................34
FIGURA 29 - Gráfico da marcha climb em relação ao tempo ...................................34
FIGURA 30 - Movimento das patas e seus limites no eixo xy ...................................35
FIGURA 31 - Movimento das patas e seus limites no eixo zy ...................................36
FIGURA 32 - Efeito de arraste ..................................................................................37
FIGURA 33 - Solução para o efeito de arraste 1.......................................................37
FIGURA 34 - Solução para o efeito de arraste 2.......................................................39
FIGURA 35 - Caminho entre a cinemática direta e inversa.......................................40
FIGURA 36 - Pata do robô hexápode ......................................................................41
FIGURA 37 - Vetores posição da perna do robô.......................................................44
FIGURA 38 - Trajeto das patas .................................................................................48
FIGURA 39 - Diagrama de atividades para montar trajeto ........................................49
FIGURA 40 - Vantagem do robô de patas em relação ao de rodas ou esteira .........57
FIGURA 41 - Robô com chassi redondo ...................................................................58
FIGURA 42 - Foto do chassi redondo .......................................................................58
FIGURA 43 - Robô com chassi retangular ................................................................59
FIGURA 44 - Foto do chassi retangular ....................................................................59
FIGURA 45 - Foto de uma das pernas do robô.........................................................59
FIGURA 46 - Espaçadores de nylon .........................................................................60
FIGURA 47 - Vista frontal da perna instalada ao corpo ............................................60
vii
FIGURA 48 - Vista superior da perna instalada ao corpo .........................................60
FIGURA 49 - Teste com material de policarbonato...................................................62
FIGURA 50 - Robô com um grau de liberdade por pata ...........................................62
FIGURA 51 - Robô com dois graus de liberdade por pata ........................................63
FIGURA 52 - Robô com três graus de liberdade por pata.........................................64
FIGURA 53 - Forças de agem no robô escalando uma parede vertical ....................65
FIGURA 54 - Braço de alavanca da pata do robô .....................................................66
FIGURA 55 - Servos motores....................................................................................67
FIGURA 56 - Modelo HexCrawler .............................................................................69
FIGURA 57 - Modelo Lynxmotion..............................................................................69
FIGURA 58 - Robô Lynxmotion sobre uma lata de refrigerante ................................69
FIGURA 59 - Protótipo de robô escalador usando ventosas.....................................70
FIGURA 60 - Robô escalador com esteira de ímãs permanentes.............................71
FIGURA 61 - Eletroímãs confeccionados com carretel de ferro doce .......................73
FIGURA 62 - Equação do campo magnético de um eletroímã..................................74
FIGURA 63 - Carretel para enrolar a bobina do eletroímã com ímã na extremidade 79
FIGURA 64 - Carretel para enrolar a bobina do eletroímã com ímã embutido no
núcleo.................................................................................................................79
FIGURA 65 - Carretel de nylon com núcleo composto de ferro doce-ímã permanente
...........................................................................................................................81
FIGURA 66 - Sistema ímã-eletroímã responsável pela fixação do robô à superfície 83
FIGURA 67 - Articulação que permite a maior área de contato do ímã com a
superfície............................................................................................................84
FIGURA 68 - Articulação que permite a rotação da pata em relação ao carretel......84
FIGURA 69 - Foto da parte interna na fonte de alimentação ....................................86
FIGURA 70 - Foto da fonte de alimentação com a tampa colocada .........................87
FIGURA 71 - TMS320C6711 DSK ............................................................................89
FIGURA 72 - Diagrama em blocos da MotherBoard .................................................91
FIGURA 73 - MotherBoard DSP lado superior ..........................................................92
FIGURA 74 - MotherBoard DSP lado inferior ............................................................93
FIGURA 75 - Diagrama em blocos da DaughterBoard..............................................94
FIGURA 76 - DaughterBoard lado superior...............................................................96
FIGURA 77 - DaughterBoard lado inferior.................................................................96
FIGURA 78 - Diagrama em blocos da placa de acionamento dos eletroímãs ..........97
FIGURA 79 - Placa de acionamento lado superior....................................................97
FIGURA 80 - Placa de acionamento lado inferior......................................................98
FIGURA 81 - Diagrama em blocos do conversor RS-232/RS-422 ............................99
FIGURA 82 - Conversor RS-232/RS-422 ................................................................100
FIGURA 83 - Diagrama de casos de uso – Simulador ............................................102
FIGURA 84 - Diagrama de casos de uso – Controlador .........................................103
FIGURA 85 - Diagrama de classes: Menu Principal................................................105
FIGURA 86 - Diagrama de classes: Controlar Robô ...............................................105
FIGURA 87 - Diagrama de classes: Simular Robô..................................................106
FIGURA 88 - Diagrama de classes: Interpretar Ordem...........................................106
FIGURA 89 - Diagrama de classes: Configurar Ordem...........................................107
FIGURA 90 - Diagrama de classes: Verificar Espaço de Trabalho .........................108
FIGURA 91 - Diagrama de classes: Calcular Trajeto das Patas .............................109
FIGURA 92 - Diagrama de classes: Parametrizar Robô .........................................110
FIGURA 93 - Diagrama de classes: Simular Movimentação ...................................111
FIGURA 94 - Diagrama de classes: Calcular Trajetória do Robô............................112
FIGURA 95 - Diagrama de classes: Visualizar Simulação ......................................113
viii
FIGURA 96 - Diagrama de classes: Comandar Robô .............................................113
FIGURA 97 - Diagrama de classes: Comunicar Serial............................................114
FIGURA 98 - Diagrama de seqüência: Configurar Ordem ......................................115
FIGURA 99 - Diagrama de seqüência: Parametrizar Robô .....................................116
FIGURA 100 - Diagrama de seqüência: Verificar Espaço de Trabalho...................116
FIGURA 101 - Diagrama de seqüência: Simular Movimentação.............................117
FIGURA 102 - Diagrama de seqüência: Calcular Trajeto das Patas.......................118
FIGURA 103 - Diagrama de seqüência: Calcular Trajetória do Robô .....................119
FIGURA 104 - Diagrama de seqüência: Comunicar Serial .....................................119
FIGURA 105 - Diagrama de seqüência: Visualizar Simulação................................120
FIGURA 106 - Parte gráfica desenvolvida em OpenGL ..........................................121
FIGURA 107 - Diagrama de timming dos PWM’s....................................................124
FIGURA 108 - Exemplo genérico de ciclo de vida de um projeto............................125
FIGURA 109 - Várias etapas de cada processo......................................................126
FIGURA 110 - Gráfico da projeção de vendas ........................................................156
FIGURA 111 - Projeção de resultados ....................................................................158
FIGURA 112 - Análise do retorno do investimento..................................................159
ix
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Robôs andantes e escaladores desenvolvido pelo IAI-CSIC ..................8
TABELA 2 - Parâmetros dos segmentos para cálculo das cinemáticas....................41
TABELA 3 - Tabela comparativa de ímãs permanentes ...........................................78
TABELA 4 - Sub-sistemas do projeto desenvolvido ................................................129
TABELA 5 - Cronograma inicial...............................................................................130
TABELA 6 - Cronograma final .................................................................................131
TABELA 7 - Previsão inicial de ações e custos.......................................................132
TABELA 8 - Ações e Custos do período de atividades ...........................................133
TABELA 9 - Análise de Riscos ................................................................................134
TABELA 10 - Gastos no desenvolvimento ..............................................................135
TABELA 11 - Perfil do usuário.................................................................................141
TABELA 12 - Clientes potenciais ............................................................................145
TABELA 13 - Plano de vendas................................................................................153
TABELA 14 - Programa de vendas .........................................................................155
TABELA 15 - Custos operacionais ..........................................................................157
TABELA 16 - Demonstrativo de resultados .............................................................158
TABELA 17- Investimento inicial .............................................................................159
x
RESUMO
O trabalho apresenta o desenvolvimento realizado sobre o projeto de um robô com patas escalador
de superfícies ferromagnéticas. Primeiramente é definido o escopo do projeto, descrevendo as
principais características atendidas pelo robô desenvolvido. Os principais tópicos estudados são os
que se referem à parte mecânica do robô, ao mercado que abrange tal projeto, às patentes
relacionadas, à modelagem dos modos de caminhar e à forma de fixação à superfície. Disserta-se
ainda sobre a parte de controle desenvolvida e hardwares que foram desenvolvidos e confeccionados
ao longo do desenvolvimento. Finalmente, apresenta-se a gestão realizada pelo projeto, com uma
comparação entre o que foi previsto até a conclusão da disciplina de Projeto Final I e o que realmente
se desenvolveu, além de uma previsão para o futuro do projeto contemplada do Plano de Negócios.
ABSTRACT
This paper presents the development done so far on a ferromagnetic surfaces climbing legged robot
project. First, the project’s goal is defined, which defines the main characteristics already built into the
robot. The main studied subjects are those related to the robot’s mechanics, to the project’s overall
market, to the related patents, to the gait’s modeling and to the surface fastening means. It is also
disserted about the control system developed and all the hardware with it. At last, it is presented the
projects management, and a comparison between what was intended to be done and what was really
developed, and also a project’s future.
1
1
INTRODUÇÃO
Neste relatório está descrito o desenvolvimento do projeto de um robô de seis
pernas capaz de escalar superfícies ferromagnéticas, inclinadas e verticais, através
de um sistema eletromagnético fixado sob as patas. Os comandos de locomoção
podem ser de duas formas: gravados na memória ou então passados em tempo real.
Na primeira forma os passos são armazenados na memória da placa de controle de
forma que o robô seja parcialmente autônomo, realizando os passos determinados
sem qualquer tipo de inteligência. A outra maneira seria através de um cabo serial
ligado a um computador externo do qual se pode enviar comandos e receber
informações para atualizar a tela do simulador.
O sistema de posicionamento de cada perna permite três graus de liberdade e
utiliza servomotores de precisão e alto torque, permitindo se movimentar para frente
e para trás, para os lados e mudar de direção executando rotações sobre o eixo
normal à base. Toda a alimentação do robô, incluindo o sistema de controle, os
motores e o sistema de fixação, é feita através de um cabo em forma de cordão
umbilical.
1.1
ESCOPO
o O robô se locomove em qualquer tipo de superfície horizontal e em
superfícies verticais ou inclinadas desde que sejam ferromagnéticas;
o Tem a capacidade de se movimentar para frente e para trás, para os lados
assim como realizar rotações sobre o eixo normal à base;
o A alimentação do robô é feita por um “cordão umbilical”;
o Os comandos de controle para a movimentação do robô são oriundos de
um computador remoto.
2
1.2
JUSTIFICATIVA E MOTIVAÇÃO
Nos últimos anos, atividades de pesquisas na área de robôs móveis têm
crescido significativamente a fim de se atender uma demanda em potencial,
principalmente em aplicações onde há um forte incentivo para se usar máquinas.
São os casos de aplicações em ambientes hostis aos seres humanos, serviços de
longa duração ou que demandem grande esforço físico.
Robôs móveis e escaladores são soluções muito promissoras em ambientes
complexos e/ou perigosos. Em certas tarefas estes robôs operam com baixa taxa de
erro, com precisão e em grande velocidade. Para casos de grandes áreas como é o
casco de um navio, a melhor opção é automatizar o sistema de inspeção.
FIGURA 1 - Casco de navio: grande área para ser inspecionada.
Em relação aos modelos de rodas, robôs com “patas” têm a vantagem pela
sua capacidade de superar obstáculos, cantos, projeções, etc.
No Brasil, os projetos na área de robótica são mais voltados aos
manipuladores fixos, tornando os robôs móveis com “patas” uma área de estudo
ainda pouco explorada e, portanto, muito promissora. Há também um grande
potencial para a utilização desse tipo de robô na indústria. Verifica-se a
aplicabilidade deste tipo de tecnologia em tarefas de limpeza, inspeção e
manutenção em construções e estruturas tais como cascos de navios e plataformas
marítimas de exploração de petróleo.
3
1.3
OBJETIVOS
Quatro objetivos principais foram considerados no projeto e desenvolvimento
do robô. São eles:
a) Selecionar uma estrutura mecânica, dentre as disponíveis comercialmente,
e adquiri-la desde que atenda as especificações necessárias, ou então
projetar e mandar confeccionar sob medida;
b) Estudar e desenvolver um sistema de locomoção ideal para a aplicação
final do robô de forma a conseguir o melhor desempenho possível,
minimizando as dificuldades no deslocamento;
c) Desenvolver um sistema de controle micro-processado que se comunicará
com um PC a fim de receber os comandos do operador e providenciar as
ações necessárias para efetuar o movimento solicitado;
d) Desenvolver dois módulos de software: um embarcado e outro remoto
para realizar a interpretação da ação solicitada pelo operador em
comandos para os atuadores.
1.4
APRESENTAÇÃO DA ESTRUTURA DO RELATÓRIO
Este relatório está dividido em quatro partes principais, da seguinte maneira.
A primeira refere-se ao estudo do domínio do problema. Esta contempla um
breve histórico da robótica, citando o surgimento dos robôs, os sistemas autômatos
usados nas indústrias atualmente, o avanço constante e muito rápido nessa área
com robôs de última geração como os enviados pela NASA a Marte. Após esse
histórico são descritos todos os robôs que foram pesquisados e que possuem
alguma referência com o projeto descrito nesse relatório. Seja pela função ou pela
concepção utilizada todos foram estudados antes de se iniciar o robô escalador.
Ainda nesta primeira parte está descrita a pesquisa de propriedade industrial que foi
realizada no início do desenvolvimento para procurar possíveis soluções
semelhantes para serem estudadas ou até mesmo para gerar patente de algum
módulo do robô caso nada semelhante fosse encontrado.
A segunda parte contém o desenvolvimento do projeto. São as atividades que
foram realizadas no robô desde a disciplina de Projeto Final I até a conclusão do
4
projeto para a apresentação na disciplina de Projeto Final II. Este desenvolvimento
está dividido em cinco grandes blocos: Modelagem do Sistema, Modelagem do
Robô, Módulo Mecânico, Módulo de Hardware e Módulo de Software
Na terceira parte, serão abordados os aspectos relevantes na área de gestão
de projetos. É feita uma análise do projeto, mostrando as atividades envolvidas, os
cronogramas, ações, custos e riscos, fazendo uma comparação com o levantado em
Projeto Final I. Além disso, são levantados os custos finais do projeto e um plano de
negócios prevendo uma futura colocação do projeto desenvolvido no mercado.
A última parte trará o Plano de Negócios. Nele foi proposta a criação de uma
empresa em cima do produto oriundo do desenvolvimento deste projeto.
Nos anexos serão apresentados: uma pesquisa sobre ensaios nãodestrutivos,
um
manual
de
funcionamento
do
software
desenvolvido,
Controlador/Simulador, e, por fim, o pré-projeto apresentado no Projeto Final I.
o
5
2
2.1
ESTUDO DO DOMÍNIO DO PROBLEMA
HISTÓRICO DA ROBÓTICA
O primeiro robô industrial surgiu na década de 60, construído pela empresa
Unimation, e embora o número de robôs já beire o milhão de unidades, ainda se
prevê um rápido crescimento desse número, principalmente devido ao aumento do
custo da mão-de-obra, à necessidade cada vez maior do aumento de produtividade,
de melhoria da qualidade final de um produto, de realização de tarefas perigosas,
que o homem não pode realizar, e à queda do custo dos robôs. Esses robôs
manipuladores vêm sendo bastante utilizados na indústria, em tarefas como
soldagem, pintura, montagem de peças e inspeção de defeitos.
As novidades que têm aparecido na área de robótica são todas de um outro
tipo de robô: os robôs móveis. Diferentemente dos robôs manipuladores industriais,
que possuem uma base fixa, um robô móvel autônomo é livre para mover-se em
todas as direções. Os robôs móveis começaram a aparecer na década de 70, mas
somente na década de 80 começaram a surgir os primeiros robôs móveis
autônomos. Além das aplicações comentadas, eles podem ser empregados em
outras tarefas, que vão do transporte de peças em uma indústria, até para substituir
o homem na exploração de locais perigosos, como águas profundas, áreas
radioativas, crateras de vulcões, ambientes espaciais e mesmo outros planetas.
Exemplos mais recentes de aplicações desses tipos de robôs em outros planetas
foram os robôs Sojourner, Spirit e Opportunity que a NASA enviou à Marte em 1997
e 2004.
Quando o tema é referente a robôs de pequenas dimensões, são vários os
grupos de pesquisa no mundo que vêm desenvolvendo micro e nano robôs. Os
micro-robôs são utilizados para a exploração de ambientes de dimensões reduzidas,
como, por exemplo, a exploração interna do corpo humano. Um desses projetos é
desenvolvido pelo MIT, nos Estados Unidos, onde está sendo construído um robô
com menos de 4 cm para a detecção de doenças do cólon. Um outro projeto é o
Darpa, onde está sendo construído um micro robô de 8 cm de comprimento; este
contém um sistema de sucção nas patas, que o torna apto a explorar ambientes
reduzidos, sendo capaz, inclusive, de subir paredes e passar por cima de
6
obstáculos. Já a tecnologia de nano-robótica (robôs da ordem de milésimo de
milímetro) visa principalmente aplicações na medicina, como a eliminação de
acúmulos de substâncias orgânicas indesejadas (tumores, placas de gordura nas
paredes das artérias e coágulos sangüíneos).
Robôs também são utilizados dentro d’água e no ar. Para ambientes
subaquáticos, existem os robôs submarinos que são de dois tipos: o ROV, que pode
ser controlado remotamente, e o AUV, que opera autonomamente. Esses robôs têm
sido aprimorados para operar em grandes profundidades (até quatro mil metros) e
áreas de risco, onde os mergulhadores não podem operar. Os ROVs podem realizar
diversas
tarefas,
utilizando
para
isso
braços
mecânicos
e
ferramentas
especializadas. Entre as aplicações realizadas por esses robôs estão a investigação
visual das partes submersas de navios, pontes e plataformas, monitoramento de
colônias de peixes, controle de poluição subaquática, controle de devastação da
vida marinha, localização de depósitos de combustíveis nucleares, execução de
operações tecnológicas em plataformas marítimas, inspeção visual de estruturas
subaquáticas de oleodutos e gasodutos, inspeção de barragens e explorações
marítimas para fins de pesquisa. Só para se ter uma idéia de valores, uma
expedição de inspeção de um navio naufragado usando o ROV Hercules custa, por
dia, 40.000 dólares. Com relação ao robô aéreo, o Centro de Pesquisa Renato
Archer (CenPRA) de Campinas está construindo um deles na forma de um dirigível
(Projeto Aurora) para a realização de sobrevôos de inspeção em florestas, estradas,
fazendas, cidades, cursos de rios, etc. Outro centro de pesquisa envolvido com esse
tipo de pesquisa é o Spawar Systems Center San Diego (Estados Unidos), que
desenvolve robôs aéreos para várias aplicações: controle de incêndios, detecção de
áreas minadas e com armadilhas militares, proteção de tropas militares, exploração
de áreas contaminadas (químicas, biológicas e nucleares), etc.
Há ainda robôs saltadores, escaladores, tosadores de ovelha, localizador de
bombas, robô explorador de vulcões, robô limpador de casco de navios, robô
agrícola e até robô hospitalar. Um exemplo de sucesso no uso de robôs em mais de
cem hospitais de todo o mundo é o robô HelpMate. Este robô realiza uma tarefa
corriqueira em um hospital: transportar documentos e medicamentos entre as salas
do hospital. É um trabalho simples, mas que toma muito tempo de auxiliares de
enfermagem, enfermeiras e trabalhadores de um hospital.
7
O Japão domina o mercado de robôs no mundo: tanto no mercado de
aplicações não usuais, como é o caso de robôs domésticos quanto em robôs
utilizados na indústria: é quase a metade dos mais de oitocentos mil robôs existentes
no mundo todo. O Brasil participa desse bolo com cerca de 0,6% dos robôs do
mundo (em torno de 5.000 robôs, instalados principalmente na indústria
automobilística), mas revela um crescimento enorme no número de robôs nos
últimos cinco anos.
2.2
ROBÔS EXISTENTES
A seguir estão citados alguns robôs desenvolvidos que possuem uma
correlação com o projeto do robô hexápode descrito nesse relatório. Esses projetos
estão detalhados ao nível de características que permitem comparar e analisar as
vantagens e desvantagens de cada modelo. Essa pesquisa foi feita com o intuito de
evitar um imprevisto de chegar a um produto final que possua alguma deficiência
semelhante a produtos que já estão no mercado. Dessa forma ganhou-se tempo e
reduziu-se o custo do desenvolvimento.
o Conselho Superior de Pesquisas Científicas (IAI-CSIC, ES)
Esse é considerado o principal grupo de pesquisa concorrente no mercado,
pois esse Departamento de Controle Automático do Instituto de Automação Industrial
do CSIC localizado na Espanha tem como objetivo principal fazer pesquisas sobre
análises e desempenho de sistemas de controle voltado para o desenvolvimento de
robôs escaladores. A TABELA 1 demonstra todos os robôs andantes e escaladores
desenvolvidos e que estão em desenvolvimentos pelo IAI-CSIC.
8
TABELA 1 - Robôs andantes e escaladores desenvolvido pelo IAI-CSIC
Número Graus de
de Patas Liberdade
Tipo de Robô
Instituição Financiadora / Data
Aplicação
Brincadeira
IAI-CSIC, 1989
Research
2
3
Rimho
CICYT, 1991-93
Research
4
12
Tracminer
Brite/EuRam, 1994-96
Agriculture/Mining/Civil
Eng
4
16
Palaiomation
Brite/EuRam, 1995-97
Natural Science
Museums
4
24
Rest 1
Eprit-CDTI-MINER, 1994-97
Shipbuilding
6
18+3
Rower 1
Brite/EuRam, 1994-98
Shipbuilding
4
16+4
Silo -1
CICYT, 1995-97
Research
1
3
Silo - 2
CICYT, 1995-97
Research
1
3
Silo - 3*
IAI-CSIC, 1997-98
Research
4
12
Rest 2*
IAI+AESA+SAIND, 1998
Shipbuilding
4
12+2
Rower 2*
Brite/EuRam, 1998-01
Shipbuilding
TBD
TBD
* Silo 3 está começando a ser montado; Rest 2 sob manifatura; Rower 2 sob definição.
Dentre os diversos robôs desenvolvidos ao longo desses anos como
mostrado na TABELA 1, nota-se a grande evolução desse grupo de pesquisa na
construção de robôs móveis. O REST1 desenvolvido de 94 a 97 é um robô bem
similar ao que está descrito nesse relatório, possuindo características semelhantes
como:
o Escalador de superfícies ferromagnéticas;
o Robô hexápode (6 patas);
o Possuir um cordão umbilical.
As principais especificações técnicas do robô escaladoras REST1 são:
o Graus de Liberdade: 18;
o Comprimento: 1100 mm;
o Largura: 600 mm;
o Peso: 220 Kg;
o Carga suportável: 100 Kg.
A FIGURA 2 ilustra um teste experimental do robô escalador de seis patas o
REST1 no próprio IAI_CSIC. Esse teste consiste de uma superfície ferromagnética
de seis metros de comprimento. Nela foram realizados vários experimentos, como:
diferentes formas de andar e vários algoritmos de controle.
9
FIGURA 2 - Teste do Robô Rest1
o Universidade da Catania (UoC, IT)
Nessa universidade, mais precisamente no departamento de elétrica
eletrônica e sistemas, existem vários projetos em desenvolvimento na área de
robótica. Dentre os projetos em realização verificou que dois estavam relacionados
ao desenvolvimento de robôs escaladores, que ainda estão em fase de pesquisa e
implementação sendo chamados de Surfy e Spiderbot. Esses dois robôs utilizam
sistemas de fixação diferentes ao que vai ser implementado no projeto, fato que os
torna diferentes. Além disso, suas aplicações são voltadas a outras áreas não
relacionando ao petróleo.
o Centro de Pesquisa da Petrobrás (Rio de Janeiro) - CENPES
Esse é o principal concorrente do segmento no desenvolvimento desse
projeto já que tem como cliente final também a Petrobrás. Além disso, é o centro de
pesquisa e desenvolvimento da própria empresa e, portanto tem muitas informações
e contatos preciosos para desenvolver esse tipo de robô. Na FIGURA 3 pode ser
vista uma foto esse robô durante um teste em campo.
10
FIGURA 3 - Robô escalador com rodas de ímã permanente, desenvolvido pelo CENPES
Esse robô foi desenvolvido pelo CENPES, juntamente com outros dois
laboratórios, LABOEND e LAMCE, ambos do Rio de Janeiro.
As principais características desse robô são:
o Fixação e locomoção por rodas de ímãs permanentes;
o Comprimento: 1700 mm;
o Largura: 1000 mm;
o Altura: 400mm;
o Peso: 17 Kg;
o Profundidade máxima: 40m;
o 4 sensores de ultra-som.
Ainda hoje as inspeções de cascos de navios são realizadas por
mergulhadores ou pelo menos com o auxílio deles. Não há no mercado nenhum
equipamento capaz de inspecionar um casco de navio sem ser auxiliado por
humanos na sua fixação ou movimentação. Pode-se citar alguns equipamentos
disponíveis no mercado, divididos pelo tipo de inspeção que podem realizar, tais
como:
o Inspeção Total (350 m x 40 m = 14.000 m2)
Lamp Ray da Imetrix Inc.
11
Veículo de controle remoto com dispositivos de inspeção (visual,
potencial eletroquímico, medição de espessura de revestimento e
de chapa);
Sistema de posicionamento e navegação;
Sistema de lançamento e recolhimento do veículo;
Estação de controle.
Principal Limitação: pouca potência da versão atual do veículo que
dificulta a sua utilização offshore.
Pontos para melhoria: adaptação do veículo para uso offshore,
visualização dos resultados parciais em tempo real e tornar o
sistema de lançamento/ /recolhimento mais robusto, para uso
offshore.
FIGURA 4 - Robô Lamp Ray da Imetrix Inc.
MeasureMate da Red Band
Medições realizadas com o navio ancorado nas condições
carregado ou lastreado.
Inspeção completa de um navio de 150.000 DWT é realizada em 20
horas e o número de medições realizadas é 1.500 vezes maior que
o requerido pelas sociedades classificadoras.
Resultados são apresentados em gráficos com padrão de cores e
em tabelas.
Possui apenas sensores de ultra-som e sua eficiência continua uma
incógnita enquanto não se consegue fazer uma avaliação em
condições reais na inspeção de um petroleiro.
12
FIGURA 5 - Robô MeasureMate da Red Band.
Resonance Thickness Measurement - RTM da DnV/Oceaneering
Não há necessidade de remoção de produtos de corrosão ou de
incrustações marinhas para realizar a inspeção;
Determina a espessura média na área coberta pelo cabeçote;
Trabalha com uma nova metodologia de inspeção conhecida como
medida de espessura por ressonância;
Sistema de posicionamento do veículo é acústico e conhecido como
SWAPS (shallow water acoustic positioning system);
Possui o inconveniente de medição da espessura média (na área
de atuação do cabeçote) ao invés da espessura mínima (mais
correlacionada com a possibilidade de furos no casco).
FIGURA 6 - Robô Resonance Thickness Measurement - da DnV/Oceaneering
13
o Inspeção Parcial (Amostragem: 500 a 1000 m²)
Octopus da Cybernetix
FIGURA 7 - Robô Octopus da Cybernetix
Snoopy da EM&I
Crawler CTPETRO da COPPE
FIGURA 8 - Robô Crawler da COPPE
Veículo à Cabo desenvolvido pela própria Petrobrás
É o veículo que mais vem sendo utilizado na Petrobrás em
inspeções apesar de ser extremamente simples. É tracionado por
dois cabos que passam por baixo do casco e vão até a borda do
navio, onde um operador de cada lado puxa ou solta a corda,
fazendo com que o robô deslize no fundo do casco.
14
FIGURA 9 - Veículo à Cabo da Petrobrás
o Inspeção Localizada ou Pontual (Indícios: 1 a 50 m²)
Underwater P-Scan 4 do Force Institute
FIGURA 10 - Robô Underwater P-Scan 4 do Force Institute
Consub
Usado na medição de espessura do casco.
15
FIGURA 11 - ROV da Consub
2.3
PROPRIEDADES INDUSTRIAIS
Dentro da área de projetos de engenharia, um tópico muito importante a ser
avaliado é pesquisa de propriedades industriais.
Ao se desenvolver um projeto, é preciso saber se já não existe uma idéia
semelhante patenteada, de modo a inviabilizar o estudo. Ou mesmo no caso de
projetos mais abrangentes, os quais dificilmente são patenteáveis, podem surgir
desenvolvimentos paralelos, que poderiam gerar uma patente.
Uma patente, nos dias de hoje, pode gerar muita riqueza para um projetista,
ou uma empresa. Mas mesmo que não seja do interesse do dono do projeto gerar
patentes, a pesquisa de propriedades industriais pode vir a poupar um estudo de
algo que já foi desenvolvido por outros. Deste modo, economiza-se tempo e dinheiro
no projeto.
Finalmente, este tipo de busca pode ajudar os envolvidos a encontrar outros
institutos ou pesquisadores trabalhando no mesmo ramo de estudo, viabilizando um
canal para troca de informações úteis, ou mesmo possibilitando aos interessados
conhecer seus concorrentes.
Dentro deste trabalho, foram observados dois itens considerados importantes
na pesquisa de propriedades industriais. Os fixadores eletromagnéticos e o contexto
de robôs escaladores em geral.
16
2.3.1 FIXADORES ELETROMAGNÉTICOS
No item 3.3.4, será discutida a forma de fixação utilizada no robô, permitindo
que o mesmo possa escalar superfícies ferromagnéticas. Trata-se de um sistema
eletromagnético.
Durante os estudos, vários modelos de fixadores foram testados, sendo um
deles considerado o mais interessante. Surgiu então a idéia de uma busca de
patentes sobre o assunto, no intuito de verificar a viabilidade de se gerar uma
patente própria.
Após uma extensa busca nas bases de propriedades industriais gratuitas que
existem na internet, foram achadas algumas patentes que se relacionam com o
assunto.
Uma delas, de número EP1193724 e intitulada “Magnet consisting of an
electromagnet and a permanent magnet, and eddy current retarder”, apresenta um
modelo de ímã-eletroímã composto, cujo esquema aparece na FIGURA 12.
FIGURA 12 - Modelo proposto pela patente EP1193724
Na FIGURA 12, (20) representa os enrolamentos de um eletroímã, (30) um
ímã permanente, (10) um núcleo de ferro, (22) representa uma bobina feita de
material não magnético e (24) são placas feitas de material magnético, formando os
pólos do ímã composto.
Como se poderá perceber, o modelo é basicamente o mesmo desenvolvido
neste projeto, descrito no item 3.3.4 deste relatório. A diferença encontrada está na
17
aplicação do conceito. Nesta patente, o ímã é utilizado em freios eletromagnéticos
baseados em correntes de indução, já no projeto em questão, ele é usado como um
fixador para superfícies ferromagnéticas.
A outra patente encontrada, de número GB1469463 e intitulada “Permanent
Magnet Holding System for Ferromagnetic Materials”, trata da mesma idéia que
surgiu neste projeto, um sistema de fixação eletromagnético para superfícies
ferromagnéticas.
Mas apesar de ter a mesma idéia que o desenvolvimento realizado pela
equipe, o princípio de funcionamento é diferente. A FIGURA 13 e a FIGURA 14
apresentam um dos modelos descritos na patente.
FIGURA 13 - Modelo proposto pela patente GB1469463
FIGURA 14 - Corte AB do modelo proposto pela patente GB1469463
18
Nessas figuras observa-se que a montagem do sistema difere do proposto
adiante neste relatório. O (1) representa um ímã permanente de baixa coercividade,
(2) representa um ímã permanente de alta coercividade, (3) e (4) são placas feitas
de material ferromagnético unidas por (5), feito de material não magnetizável.
Finalmente, (6) representa os enrolamentos do eletroímã.
Neste modelo, os ímãs permanentes estão dispostos de forma a somarem
seus fluxos magnéticos, tornando o ímã ativo. Através dos terminais em (7) aplica-se
um pulso de corrente de modo a reverter a polaridade do ímã de baixa coercividade
(1), de modo que seu fluxo magnético anulará o fluxo do outro ímã permanente,
desativando o ímã como um todo. Para reativar o sistema, deve-se aplicar um novo
pulso de corrente nos terminais, agora de modo a reverter a polaridade do ímã
permanente (1) ao seu estado original.
Como se pode observar, este campo de pesquisa é bastante estudado,
mostrando o trabalho já realizado como sendo bem fundamentado, e incentivando a
continuidade dos estudos.
2.3.2 ROBÔS ESCALADORES
Um estudo de patentes sobre robôs escaladores mostrou-se bem amplo, uma
vez que o projeto estudado apresenta apenas um caso específico da classe. Deste
modo, esta busca torna-se útil para se verificar os tipos de robôs que já existem no
mercado, ou então para procurar soluções já desenvolvidas e que podem ser
utilizadas no projeto em andamento, poupando esforços da equipe.
Após pesquisar extensivamente as bases de patentes grátis existentes na
internet, utilizando palavras-chave como “robot”, “climbing” e “legged”, observou-se
que existem muito poucos registros relativos a robôs escaladores com pernas,
especificamente hexápodes. A maior parte dos registros sobre robôs escaladores
envolve robôs com rodas, e os que tratam de robôs com pernas falam sobre robôs
bípedes.
A partir destes resultados, concluiu-se que o campo de pesquisa referente a
robôs escaladores, e que se locomovem com pernas, era muito promissor, podendo
propiciar um conhecimento ainda pouco explorado e, portanto promissor aos
integrantes da equipe.
19
Por outro lado, a falta de patentes sobre este assunto mostra a dificuldade do
desenvolvimento do projeto. Muito pouco do projeto pode ser extraído de produtos já
comerciais. A maior parte foi desenvolvida, utilizando como base, no máximo, artigos
científicos, os quais não costumam chegar ao desenvolvimento da parte prática do
assunto.
20
3
3.1
DESENVOLVIMENTO
MODELAGEM DO SISTEMA
O projeto Robô Hexápode Escalador de Superfícies Ferromagnéticos tem
duas funcionalidades principais:
o Simular o comportamento cinemático de um Robô Hexápode;
o Controlar o Robô Hexápode (Interfacear o robô com o operador - IHM).
Para os dois sistemas há blocos funcionais que são comuns, como:
o Comandar o robô;
o Configurar modos de caminhar;
o Calcular e visualizar o movimento e a trajetória (opcional na função
controlador);
É no “comandar o robô” que está a principal distinção entre os dois. No
primeiro os comandos enviados vão apenas para um ambiente de simulação, onde a
partir de cálculos matemáticos determina-se como o robô vai reagir, visualizando o
efeito graficamente. No segundo o mesmo pode ocorrer para efeito da visualização,
porém os comandos também são refletidos, através de uma comunicação serial, no
robô e são processados na sua placa de controle.
Este tópico abordará a descrição do projeto quanto aos seus aspectos
funcionais e comportamentais utilizando a linguagem de modelagem UML.
Foram gerados o diagrama estrutural do sistema (Casos de Uso) e o dinâmico
(seqüência). A seguir serão apresentados estes diagramas.
3.1.1 DIAGRAMA DE CASOS DE USO
Os casos de uso foram levantados procurando descrever de forma clara e
consistente as responsabilidades que devem ser cumpridas pelo sistema. A FIGURA
83 apresenta o Diagrama de Casos de Uso gerado.
21
Comunicar Serial
S.O.
(from Atores)
Comandar Robô
<<include>>
<<include>>
Controlar Robô
rob ô
(from Atores)
Visualizar Simulação
<<include>>
<<extend>>
Configurar Ordem
<<include>>
<<include>>
<<include>>
operador
Simular Movimentação
(from Atores)
S.O.
Interpretar Ordem
Verificar Espaço de Trabalho
( from Atores)
<<all extend>>
<<i nclude>>
<<include>>
Tripod
<<include>>
<<extend>>
Ca lcular Trajetória Robô
<<all extend>>
No rmal
Ripple
Calcular Trajeto Patas
Simular Robô
Cra b
Wave
<<include>>
Rotação
Pa rame tri za r Rob ô
Neutro
FIGURA 15 - Diagrama de casos de uso do projeto
3.1.1.1
Descrição dos Casos e Atores
o Atores
Pode-se observar no diagrama a presença de três atores principais.
Operador: Nada mais é do que o próprio operador do sistema, aquele
que se encontra ao computador simulando ou controlando o robô. É
este ator que ativa os casos de usos principais do sistema;
Robô: Como o próprio nome já diz é o robô hexápode. No serviço
“Controlar Robô” é o ator a ser controlado. Nele encontra-se a placa de
Climb
22
controle com o microprocessador e seu software embarcado, além da
comunicação serial;
S.O.: É o ator Sistema Operacional. É um ator importante ao caso de
uso simular, pois é ele que sincroniza o movimento do robô simulado
através do timer.
o Casos de Usos
No diagrama observa-se a presença de dois casos de usos
principais. São eles:
Simular robô – Caso de uso que contém o serviço de simulação do
robô hexápode. Através dele o operador pode parametrizar o robô e
configurar os modos de caminhar (ordem) a seu critério. Com a
solicitação de movimentação ocorre a simulação e a visualização
gráfica da reação do robô.
Controlar robô – Através deste serviço, o operador pode atuar
diretamente ao robô enviando comandos. Também pode configurar os
modos de caminhar e visualizar na tela a simulação resultante do
comando.
3.1.2 LEVANTAMENTO DAS CLASSES
Foi realizado um levantamento das classes, procurando distingui-las entre
classes de controle, fronteira e entidade.
o Classes de Fronteira
CintOperador: Classe de interface com o operador;
CintRobô: Classe de interface com o robô;
CintSO: Classe de interface com o Sistema Operacional.
o Classes de Controle
CCtrlSimularRobo: Classe responsável por controlar a simulação do
robô;
23
CCtrlParametrizarRobo:
Classe
responsável
pela
parametrização(dados estruturais) do robô a ser simulado;
CCtrlInterpretarOrdem:
Classe
responsável
por
controlar
a
interpretação da Ordem de Movimento;
CCtrlConfigurarOrdem: Classe responsável pela configuração da forma
e parâmetros do caminhar.
CCtrlVerificarEspaçoDeTrabalho: Classe responsável por verificar os
parâmetros configurados no “Configurar Ordem” se estão de acordo
com o espaço de trabalho do robô;
CCtrlCalcularTrajetoPatas: Classe responsável por calcular o trajeto
que cada pata deve realizar para atender a ordem especificada;
CCtrlSimularMovimentação:
Classe
responsável
por
simular
a
movimentação do robô, a partir de um comando que o operador
realiza. Esta classe só pode ser ativa após ter uma Ordem
interpretada;
CCtrlCalcularTrajetóriaRobô:
Classe
responsável
por
calcular
a
trajetória que o robô esta percorrendo dado a movimentação que esta
sofrendo.
CCtrlVisualizarSimulação:
Classe
responsável
por
mostrar
graficamente a simulação da movimentação do robô;
CCtrlControlarRobô: Classe responsável pelo controle do robô;
CCtrlComandarRobô: Classe responsável por receber os comandos do
operador e enviar ao robô;
CCtrlComunicarSerial:
Classe
responsável
pelo
controle
da
comunicação serial. Comanda a conexão, desconexão e uma
funcionalidade extremamente importante, a verificação da conexão
(watchdog), que é realizada periodicamente.
o Entidade
CRobô: Classe que contém os parâmetros do robô;
COrdem: Classe que contém os parâmetros da ordem;
24
CTrajetoPatas: Classe que contém os parâmetros do trajeto das patas.
CTrajetóriaRobô: Classe que contém as informações da trajetória
percorrida pelo robô.
3.1.3 DIAGRAMAS DE SEQUÊNCIA
O Sistema tem dois modos de operação: Simulador e Controlador. A
seguir estão os diagramas de seqüência para cada modo de operação
o Modo Simulador
: operador
: CIntOperador
Si mul ado r
: CCtrlSimularRobo
: CCtrlParametrizarRobo
: CRobo
: CCtrlInterpretarOrdem
: COrdem
: CTrajetoPatas
: CCtrlSimularMov imentação
: CIntSO
Mo do Simula dor
ParametrizarRobo()
MostrarJanelaParametrizar()
Janela Parametrizar
Robô
Dados Robô
RegistrarRobo(DadosRobô)
In ter pr eta rOr dem()
MostrarJanelaConf igurarOrdem()
Ja nela Co nf igur ar
Ordem
Dados Ordem
Re gist rarOrdem(DadosOrdem)
EspTrab:=Verif icarEspaçoDeTrabalho(Ordem)
Janela de Erro
[EspTrab=NOK] Mostrar Janela de Erro
[EspTrab=OK] CalcularTrajetoPatas(Ordem)
RegistarTrajeto(Trajeto)
MostrarJanelaComandos()
Janela de Comandos
Comando de
Mov imentação
SimularMov imentação(Comando,Trajeto,Robô)
Timer
Movi men tar ()
CalcularTrajetoria()
VisualizarSimulaçãoETrajetoria()
Mo strarJanelaVisuali zador()
Simulação
gr áf ica
FIGURA 16 - Diagrama de seqüência para o modo simulador
: S.O.
25
o Modo Controlador
Sem Simulação
: operador
: CIntOperador
: CCtrlControlarRobo
: CCtrlInterpretarOrdem
: COrdem
: CTrajetoPatas
: CCtrlSimularMovimentação
: CIntSO
: S.O.
: CIntRobô
Controlador SEM Simul...
Modo Controlador
com:=ComunicarSerial()
[com=NOK] MostrarJanelaErro()
Janela de Erro
[com=OK] InterpretarOrdem( )
MostrarJanelaConfigurarOrdem()
Janela Configurar
Ordem
D ados Or dem
RegistrarOrdem(DadosOrdem)
EspTrab:=VerificarEspaçoDeTrabalho(Ordem)
[EspTrab=NOK] Mostrar Janela de Erro
Janela de Erro
[EspTrab=OK] EnviarOrdem(Ordem)
Ordem
[EspTrab=OK] MostrarJanelaComandos
Janel a de Comandos
Comando de
Movimentação
EnviarComando(Comando)
Comando
FIGURA 17 - Diagrama de seqüência para o modo controlador sem simulação
: robô
26
Com Simulação
: operador
: CIntOperador
: CCtrlControlarRobo
: CCtrlInterpretarOrdem
: COrdem
: CTrajetoPatas
: CCtrlSimularMovimentação
: CIntSO
: S.O.
: CIntRobô
: robô
Controlador COM Simul...
Modo Controlador
com:=ComunicarSerial()
[com=NOK] MostrarJanelaErro()
Janela de Erro
[com=OK] InterpretarOrdem( )
MostrarJanelaConfigurarOrdem()
Janela Configurar
Ordem
D ados Or dem
RegistrarOrdem(DadosOrdem)
EspTrab:=VerificarEspaçoDeTrabalho(Ordem)
[EspTrab=NOK] Mostrar Janela de Erro
Janela de Erro
[EspTrab=OK] EnviarOrdem(Ordem)
Ordem
[EspTrab=OK & Com Simulação] CalcularTrajetoPatas(Or...
RegistarTr ajeto(Trajeto)
[EspTrab=OK] MostrarJanelaComandos
Janel a de Comandos
Comando de
Movimentação
EnviarComando(Comando)
Comando
[Com Simulação] SimularMovimentação(Comando, Trajeto, R...
Timer
Movimentar()
CalcularTrajetória()
VisualizarSimulaçãoETrajetória()
MostrarJanelaVisualizador()
Simulação gráfica
FIGURA 18 - Diagrama de seqüência para o modo controlador com simulação
3.1.4 ESPECIFICAÇÕES NÃO FUNCIONAIS
Integração com o Sistema de Inspeção: o sistema deve ser modular e bem
estruturado de forma a possibilitar a contínua evolução do sistema, como a
implementação e integração de um módulo de inspeção.
27
3.2
MODELAGEM DO MOVIMENTO DO ROBÔ
Os movimentos do robô foram modelados em três modos e quatros tipos de
marchas. Os modos são responsáveis por orientar o sentido do movimento e as
marchas pela cadência com que o robô realiza a caminhada.
Os modos implementados foram:
o Normal
o Crab
o Rotacionar
E para os dois primeiros modos foram implementadas as seguintes marchas:
o Wave
o Ripple
o Tripod
o Climb
3.2.1 MODOS
Os modos de caminhar se diferem um do outro basicamente pela direção de
deslocamento em relação ao eixo principal do robô. A seguir na FIGURA 19 é
ilustrada a figura do robô e seu eixo cartesiano de referência.
FIGURA 19 - Sentidos de movimentos do robô
28
3.2.1.1
Modo Normal
Representa o movimento natural de vários animais, que é andar para frente e
para trás. Esse modo então permite que o Robô execute movimentos em relação ao
eixo principal de deslocamento. Conforme a FIGURA 19, o robô se deslocará no eixo
y.
3.2.1.2
Modo Crab
É o modo responsável por definir um movimento lateral do Robô, para a
esquerda e para a direita. Esse modo permite que o robô realize deslocamentos
perpendiculares em relação ao eixo principal de deslocamento. Conforme a FIGURA
19, o robô se deslocará no eixo x.
3.2.1.3
Modo Rotacionar
Neste modo o robô realiza um movimento angular em relação ao eixo z sobre
o plano xy, conforme indicado na FIGURA 19. O robô poderá executar rotações em
torno do eixo z no sentido horário e anti-horário.
3.2.2 MARCHAS
As marchas estão relacionadas diretamente com o número de patas em
contato com a superfície e com a seqüência em que essas são movimentadas,
sendo assim determinante no desempenho do robô quanto à velocidade de
deslocamento, estabilidade do movimento e capacidade de carga do robô seja ela
proporcionada pela variação de massa do robô ou pela variação de ângulo do robô
em relação à direção de ação da força de gravidade. A FIGURA 20 ilustra o robô
com os índices que serão utilizados para indicar cada uma das patas.
29
FIGURA 20 - Sentidos dos movimentos e índice de cada pata
Para cada um dos tipos de marcha implementado, será mostrada uma figura
parecida com a anterior só que em vez de indicar o índice da pata, será indicado à
ordem com que as patas executam o movimento. Além disso, também será
mostrado um gráfico ilustrando o movimento das patas do robô em relação ao
tempo, possuindo a seguinte legenda:
Legenda:
Retorno
Propulsão
FIGURA 21 - Legenda para os gráficos das marchas em relação ao tempo
3.2.2.1
Marcha Wave
Essa marcha é realizada sempre mantendo cinco patas em contato com a
superfície que proporcionam a propulsão do robô e apenas uma pata retornando ao
ponto origem do movimento de tração. O movimento das patas é realizado na
seqüência do índice de cada pata, conforme a FIGURA 20. Deste modo, a primeira
pata a ser suspensa é a pata P1, passando para a pata P2 e assim sucessivamente
30
até completar o ciclo das seis patas. O movimento das patas acaba representando o
movimento de uma onda por isso o nome wave.
A velocidade dessa marcha é relativamente baixa, possuindo uma
estabilidade intermediária, mas em compensação possui uma grande capacidade de
carga.
FIGURA 22 - Ordem de levantamento das patas para a marcha wave
A FIGURA 23 representa dois ciclos de movimento das patas do robô para a
marcha wave, nela pode-se verificar o movimento das patas em função do tempo.
Marcha Wave
Clock
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1
P1
P2
P3
P4
P5
P6
FIGURA 23 - Gráfico da marcha wave em relação ao tempo
31
3.2.2.2
Marcha Ripple
Semelhante à anterior, mas com a diferença de executar o movimento de
retorno das patas numa ordem diferente, sendo realizada na seguinte ordem: P1,
P5, P3, P4, P2 e P6 conforme indicadas na FIGURA 20.
Essa marcha possui uma velocidade baixa com uma capacidade de carga e
estabilidade intermediárias. O que a torna pouco atrativa, pois não possui nenhuma
característica em especial.
FIGURA 24 - Ordem de levantamento das patas para a marcha ripple
Na FIGURA 25, pode-se verificar o movimentos das patas do robô em função
do tempo, durante dois ciclos, para a marcha ripple.
Marcha Ripple
Clock
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1
P1
P2
P3
P4
P5
P6
FIGURA 25 - Gráfico da marcha ripple em relação ao tempo
32
3.2.2.3
Marcha Tripod
Diferente das anteriores, essa marcha possui sempre três patas em contato
com a superfície que proporcionam a propulsão do robô e três patas retornando ao
ponto origem do movimento de tração, que estão sempre elevadas.
Durante o movimento são suspensas três patas de cada vez na seguinte
ordem: primeiramente as patas P1, P5 e P3 e depois as patas P4, P2 e P6 conforme
indicadas na FIGURA 20.
As características dessa marcha são: possuir a maior velocidade dentre todas
as marchas implementadas, uma estabilidade boa e, em contrapartida, uma baixa
capacidade de carga.
Assim, pode-se verificar que esta marcha é praticamente três vezes mais
rápida, que as outras marchas implementadas.
FIGURA 26 - Ordem de levantamento das patas para a marcha tripod
A FIGURA 27 representa seis ciclos de movimento das patas do robô para a
marcha tripod, nela pode-se verificar o movimento das patas em função do tempo.
33
Marcha Tripod
Clock
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1
P1
P2
P3
P4
P5
P6
FIGURA 27 - Gráfico da marcha tripod em relação ao tempo
3.2.2.4
Marcha Climb
Semelhante a marcha wave, apenas diferindo na ordem em que as patas são
levantadas durante o retorno ao ponto origem do movimente de tração, fato que
ocasionou em um ganho na estabilidade do robô durante o movimento. Essa marcha
foi implementada levando em consideração todas as marchas anteriores, pensando
em obter a marcha ideal para escalar superfícies ferromagnéticas.
Essa marcha possui uma pequena velocidade, mas em compensação a maior
estabilidade e capacidade de carga. Fatos que proporcionaram a melhor solução de
compromisso para o movimento em superfícies ferromagnéticas.
A ordem com que essas patas são suspensas durante o movimento no
momento de retorno é a seguinte: P1, P4, P3, P6, P2 e P5 conforme indicadas na
FIGURA 20.
34
FIGURA 28 - Ordem de levantamento das patas para a marcha climb
A FIGURA 29 representa dois ciclos de movimento das patas do robô para a
marcha climb, nela pode-se verificar o movimento das patas em função do tempo
para essa marcha.
Marcha Climb
Clock
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1
P1
P2
P3
P4
P5
P6
FIGURA 29 - Gráfico da marcha climb em relação ao tempo
3.2.3 LIMITES
Para compreender a matemática e os algoritmos associados ao modo de
caminhar é necessário, primeiro, observar os limites de ação de cada um dos graus
de liberdade da pata.
35
As linhas representadas na FIGURA 30 são as linhas relevantes na análise do
movimento das patas no plano xy. Neste caso o robô está se deslocando no sentido
do versor y.
FIGURA 30 - Movimento das patas e seus limites no eixo xy
Posição Extrema Anterior (PEA): no modo de caminhar em frente, esta linha
denota o alvo que a pata deve alcançar para iniciar o movimento de propulsão. Esta
linha será tratada como origem e, portanto o ângulo θ1 associado a ela é zero.
Posição Extrema Posterior (PEP): no modo de caminhar em frente, esta linha
denota o alvo que a pata deve alcançar no final do movimento de propulsão. O
ângulo associado a esta linha é θ1MAX .
Linha de posição: representa a linha onde o conjunto da pata se encontra em
um determinado instante e seu ângulo em relação à linha de origem é θ1 .
As linhas representadas FIGURA 31 são pertinentes à análise do movimento
da pata no plano zy.
36
FIGURA 31 - Movimento das patas e seus limites no eixo zy
3.2.4 EFEITO DE ARRASTE
O projeto do robô hexápode escalador de superfícies ferromagnéticas tem o
requisito de não permitir que as patas se arrastem sobre a superfície de contato,
pois uma vez que ela esteja magnetizada somada com o atrito gerado pela borracha
não haverá arraste, garantindo a perfeita fixação do robô à superfície.
O modelo leva em consideração este efeito. Assim, primeiramente será
realizada uma descrição mais detalhada deste efeito para numa segunda etapa
propor uma solução.
Supondo que a pata esteja fixa à superfície e está ocorrendo um movimento
de rotação da pata sobre o eixo z. Desta forma o robô se deslocará na direção do
eixo y. A trajetória desejada é retilínea sobre o eixo y.
Mas, como é possível observar na FIGURA 32, se a pata está fixa à superfície
o robô não terá uma trajetória retilínea como o desejado, ele terá uma trajetória
semicircular como mostra a linha tracejada na figura. Ou pior que isto: haverá a
impossibilidade de executar o movimento, pois no lado esquerdo do robô há patas
que estão proporcionando o mesmo movimento, mas no sentido contrário.
37
Pata em posição fixa
y
Trajetória não
retilínea que ocorre
x
z
FIGURA 32 - Efeito de arraste
A solução adotada para a eliminação do efeito de arraste descrito no tópico
anterior será realizada com a utilização dos dois graus de liberdade ainda não
modelados.
Observando a FIGURA 33 se observa que os dois graus de liberdade 2 e 3
são capazes de alcançar qualquer ponto do plano z dentro dos limites de alcance.
FIGURA 33 - Solução para o efeito de arraste 1
Portanto é possível corrigir o efeito de arraste através de uma correta
modelagem destes dois graus de liberdade. A parte superior da FIGURA 34 é a
representação do que aconteceria se na houvesse correção; a parte inferior o
resultado da correção vista do plano adequado.
38
Nota-se que em 1 a correção nos ângulos θ 2 e θ 3 é feita de forma a
proporcionar um maior comprimento da pata e, desta forma, dado um ângulo θ1
maior, corrigir a projeção como mostrado na FIGURA 34.
Em 3 a correção é feita de forma a encurtar a pata já que a sua projeção no
plano xy é igual ao seu próprio comprimento.
A matemática associada a estes movimentos é chamada cinemática de
manipuladores. Aplicações onde se têm os pontos nos quais se deseja fixar o
manipulador e se deseja, a partir de cálculos, determinar os ângulos que os motores
devem rotacionar denomina-se cinemática inversa. Essa será tratada no tópico
seguinte.
39
FIGURA 34 - Solução para o efeito de arraste 2
3.2.5 CINEMÁTICA
Cinemática no âmbito da robótica é o estudo do movimento de robôs em
relação a um sistema de referência, com o interesse pela descrição analítica do
40
movimento espacial dos robôs em função do tempo, em particular pela posição e
orientação do extremo de um membro em relação às suas coordenadas articulares.
Existem duas abordagens dentro da cinemática: a direta e a inversa. A
primeia consiste em determinar a posição e orientação do extremo de um membro,
em relação a um sistema de coordenadas de referência, se conhecidos os valores
das suas coordenadas articulares. Já a segunda representa o inverso da primeira,
ou seja, procura-se determinar os valores das coordenadas articulares se conhecida
a localização do extremo do membro. A FIGURA 35 ilustra a mudança que ocorre no
espaço de trabalho utilizando a cinemática direta, realizando o caminho da esquerda
para a direita, e utilizando a cinemática inversa, seguindo o caminho da direita para
esquerda.
Cinemática Inversa
Espaço dos
Atuadores
Espaço
Articular
Espaço
Cartesiano
Cinemática Direta
FIGURA 35 - Caminho entre a cinemática direta e inversa
Conforme já descrito este projeto consiste em um robô hexápode sendo que
cada pata possui três graus de liberdade, todas com mesma estrutura e dimensões.
Isso facilitou os cálculos da cinemática direta e inversa, pois foi necessário fazê-los
para uma única perna e generalizar para as demais. A FIGURA 36 mostra uma das
pernas do robô que foi utilizada para realizar o cálculo das cinemáticas. Nessa figura
pode-se notar as referências do sistema de coordenadas cartesianas para cada uma
das juntas e as notações adotadas para cada um dos segmentos da perna: a1, a2 e
a3.
41
FIGURA 36 - Pata do robô hexápode
O cálculo da cinemática direta e inversa foi realizado baseado no livro
“Introduction to robotics – John J. Craig”. Assim, foram adotadas algumas
convenções e definições utilizadas no livro para obter a tabela de parâmetros dos
segmentos, as quais estão apresentadas a seguir:
a i = a distância do eixo Ẑ i para o eixo Zˆ i +1 ao longo do eixo X̂ i ;
α i = o ângulo entre o eixo Ẑ i e o eixo Zˆ i +1 ao redor do eixo X̂ i ;
d i = a distância do eixo Xˆ i −1 para o eixo X̂ i ao longo do eixo Ẑ i ;
θ i = o ângulo entre o eixo Xˆ i −1 e eixo X̂ i ao redor do eixo Ẑ i .
Com base na FIGURA 36 e seguindo as regras expostas anteriormente
obteve-se a TABELA 2 que corresponde aos parâmetros dos segmentos, os quais
são fundamentais dentro do processo do cálculo, por ser a base para os cálculos
das cinemáticas direta e inversa.
TABELA 2 - Parâmetros dos segmentos para cálculo das cinemáticas
i
1
2
3
4
α i-1
0
90°
0
0
a i-1
0
a1
a2
a3
di
0
0
0
0
θi
θ1
θ2
θ3
0
42
Durante estes cálculos foram utilizadas notações simplificadas para as
funções seno e cosseno, de acordo com o padrão adotado pelo autor do livro citado
e usado por alguns autores da área da robótica, devido à vasta utilização dessas
funções no decorrer do cálculo, principalmente nas matrizes de transformação.
cos θ i = cθ i
sen θ i = sθ i
Outro item importante para o cálculo das cinemáticas é a Matriz
Transformação Genérica de um Segmento, que é composta da matriz de rotação e
do vetor de posição.
 cθ i
 sθ cα
i −1
 i i −1
T
=
i
 sθ i sα i −1

 0
− sθ i
cθ i cα i −1
cθ i sα i −1
0
− sα i −1
cα i −1
0
0
ai −1 
− sα i −1 d i 
matriz (1)
cα i −1 d i 

1

A matriz de rotação é representada pelos elementos a11, a12, a13, a21, a22, a23,
a31, a32 e a33, e o vetor de posição é composto pelos elementos a14, a24, a34 da
matriz transformação. Com essa matriz genérica e com a tabela de parâmetros dos
segmentos devidamente preenchida, pode-se iniciar o cálculo das cinemáticas.
3.2.5.1
Cálculo da Cinemática Direta
Após as etapas preliminares concluídas, o cálculo da cinemática direta é
inicializado realizando o preenchimento das matrizes de transformação para cada
uma das linhas da TABELA 2. Note que cada linha da tabela é composta por
parâmetros dos segmentos, os quais são necessários para obter a matriz
transformação. Portanto as matrizes transformação encontradas são:
a. Substituindo os parâmetros encontrados na linha i=1 da TABELA 2, na
matriz (1), tem-se:
cθ1
 sθ
0
 1
T
=
1
 0

 0
− sθ 1
cθ1
0
0
0
0
1
0
0
0
0

1
b. Realizando a mesma tarefa que anterior só que para i = 2, tem-se:
43
cθ 2
 0
1

2T =
 sθ 2

 0
− sθ 2
0
cθ 2
0
0 a1 
− 1 0 
0 0

0 1
c. Realizando a mesma tarefa que anterior só que para i = 3, tem-se:
cθ 3
 sθ
2
 3
3T =
 0

 0
− sθ 3
cθ 3
0
0
0 a2 
0 0 
1 0

0 1
Com a obtenção das matrizes transformação indicadas de a até c, pode-se
iniciar uma nova etapa no cálculo, que é a multiplicação entre as mesmas para obter
a matriz transformação desejada. Essa multiplicação segue a seguinte ordem:
i −1
i
T = i −R1T QRT QPT PiT
Como o interesse é achar as transformação de 01T , 02T e 03T , pois essas
possuem as matrizes rotação e os vetores posição para cada umas das três juntas
existentes na perna do robô e para o ponto extremo da pata.
Para obter a matriz transformação de
0
2
T , foi realizado a seguinte
multiplicação:
T = 01T 21T
0
2
Obtendo:
cθ 1cθ 2
 sθ cθ
0
 1 2
=
T
2
 sθ 2

 0
− cθ1 sθ 2
− s θ 1 sθ 2
cθ 2
0
sθ 1
− cθ1
0
0
Para obter a matriz transformação de
cθ1 a1 
sθ1 a1 
0 

1 
0
3
T , foi realizado a seguinte
multiplicação:
T = 02T 23T
0
3
Obtendo:
cθ 1c(θ 2 + θ 3 ) − cθ 1 s (θ 2 + θ 3 ) sθ1
 sθ c(θ + θ ) − sθ s (θ + θ ) − cθ
3
1
2
3
1
0
 1 2
T
=
3
 s (θ 2 + θ 3 )
0
− c(θ 2 + θ 3 )

0
0
0

cθ1 a1 + cθ 1cθ 2 a 2 
sθ1 a1 + sθ1cθ 2 a 2 

sθ 2 a 2

1

44
Com o cálculo das matrizes transformação de segmentos para cada um dos
três graus de liberdade da perna, pôde-se obter os vetores posições representados
na FIGURA 37 em função das coordenadas articulares: θ1 , θ 2 e θ 3 .
FIGURA 37 - Vetores posição da perna do robô
Os pontos representados na FIGURA 37 podem ser obtidos multiplicando as
matrizes rotação pelo vetor posição original da perna, conforme a fórmula a seguir:
i −1
P = i −R1T QRT QPT PiT iP
Assim, têm-se os seguintes vetores de pontos:
o Vetor posição para a primeira articulação, Porigem:
POrigem
0 
= 0
0
o Vetor posição para a segunda articulação, P[0], calculado na matriz de
transformação 01T multiplicado pelo vetor 0 P = 01T 1P :
cθ1
P[0] =  sθ1
 0
− sθ 1
cθ1
0
a1cθ1 
P[0] =  a1 sθ1 
 0 
0 a1 
0  0 
1  0 
45
o Vetor posição para a terceira articulação, P[1], calculado na matriz de
transformação 03T :
cθ1cθ 2
P[1] =  sθ1cθ 2
 sθ 2
− cθ1 sθ 2
− sθ 1 sθ 2
cθ 2
sθ 1   a 2 
− cθ1   0  + P[0]
0   0 
a1cθ1 + a 2 cθ1cθ 2 
P[1] =  a1 sθ1 + a 2 sθ1cθ 2 


a 2 sθ 2
o Vetor posição para o ponto extremo da perna, P[2], calculado na matriz de
transformação 04T :
cθ1c(θ 2 + θ 3 ) − cθ1 s (θ 2 + θ 3 ) sθ1  a3
P[2] =  sθ1c(θ 2 + θ 3 ) − sθ1 s (θ 2 + θ 3 ) − cθ1   0  + P[1]
 s (θ 2 + θ 3 )
− c(θ 2 + θ 3 )
0   0 
Então:
a1cθ 1 + a 2 cθ 1cθ 2 + a3 cθ1c(θ 2 + θ 3 )
P[2] =  a1 sθ 1 + a 2 sθ1cθ 2 + a3 sθ1c(θ 2 + θ 3 )


a 2 sθ 2 + a3 s (θ 2 + θ 3 )
Para que a posição inicial da perna fosse equivalente a representada na
FIGURA 37, foi alterado o valor de θ 3 para: θ 3 = θ 3 − 90° , obtendo:
a1cθ 1 + a 2 cθ1cθ 2 + a3 cθ 1c(θ 2 + θ 3 − 90°)
P[2] =  a1 sθ 1 + a 2 sθ1cθ 2 + a3 sθ 1c(θ 2 + θ 3 − 90°)


a 2 sθ 2 + a3 s (θ 2 + θ 3 − 90°)
3.2.5.2
Cálculo da Cinemática Inversa
Feito todo o cálculo da cinemática direta, no qual se calculam todas as
matrizes transformação, é possível iniciar o cálculo da cinemática inversa. Essa
consiste em realizar o inverso da cinemática direta, ou seja, sair das coordenadas
cartesianas para as coordenadas articulares. Então a matriz transformação genérica
para a cinemática inversa é:
46
 r11
r
0
 21
3T =
 r31

 0
r12
r22
r13
r23
r32
r33
0
0
Px 
P y 
Pz 

1 
A qual pode ser encontrada através da seguinte multiplicação de matrizes
transformação.
T = 01T (θ1 )21T (θ 2 )23T (θ 3 )
0
3
Para encontrar a coordenada articular θ1 é realizada a seguinte operação:
[ T (θ )]
−1 0
0
1
1
T = 21T (θ 2 )23T (θ 3 )
3
Assim, utilizando as matrizes transformação calculadas para o cálculo da
cinemática direta, tem-se:
 cθ 1
 − sθ
1

 0

 0
sθ 1
cθ 1
0
0
0
0
1
0
0  r11
0 r21
.
0  r31

1  0
r12
r22
r32
0
r13
r23
r33
0
Px  c(θ 2 + θ 3 ) − s(θ 2 + θ 3 ) 0 cθ 2 a 2 + a1 

Py  
0
0
0
−1

=
Pz   s (θ 2 + θ 3 ) − c(θ 2 + θ 3 ) 0
sθ 2 a 2 

 
1 
0
0
0
1

a. Multiplicando a linha 2 da matriz 1 pela coluna 4 da matriz 2 obtém-se a
primeira equação:
− sθ1 Px + cθ1 Py = 0 (1)
Manipulando a equação chega-se a θ1 :
 Py
sθ 1 Py
=
∴ θ1 = A tan 2
cθ1 Px
 Px



Caso Px e Py sejam iguais a zero:
θ1 = 0
b. Note que θ 2 depende de θ1 , então pode-se montar mais duas equações:
cθ1 Px + sθ1 Py = cθ 2 a 2 + a1 (2 )
e
Pz = sθ 2 a 2 (3)
Manipulando a equação (2) chega-se:
Px + Py = (cθ 2 a 2 + a1 )
2
2
2
2
2
Px + Py − a1 = cθ 2 a 2 (4 )
Dividindo a equação (3) pela (4), obtém-se θ 2 :
47
sθ 2
=
cθ 2
Pz
2
Px + Py
2


Pz


∴ θ 2 = A tan 2

2
2
 Px + Py − a1 
− a1


Como θ 2 foi obtido da mesma operação utilizada para obter θ1 , podese saltar uma etapa e passar para o cálculo de θ 3 .
 s3 

 c3 
θ 3 = A tan 2
Onde:
c3 = r11c1 c 2 + r21 s 1 c 2 + r31 s 2
s3 = − r11c1 c 2 − r21 s 1 s 2 + r31c 2
3.2.6 TRAJETO DAS PATAS
O trajeto das patas foi definido baseando-se em um retângulo, o qual foi
discretizado em função dos parâmetros de movimento e dos parâmetros da ordem
do robô.
O robô possui os seguintes parâmetros da ordem: altura do robô, altura de
retorno, abertura, passo da tração, ângulo crab, PEA e PEP.
Estes são
responsáveis principalmente por determinar a dimensão do trajeto, sua base e
altura. Existem os seguintes parâmetros de movimento: modo e marcha de
caminhar. O primeiro é responsável por determinar a forma com que o trajeto ficará
em relação ao robô: paralelo, perpendicular ou curvilíneo. Já o segundo é
responsável principalmente por determinar a quantidade de pontos de retorno.
A FIGURA 38 ilustra um trajeto genérico das patas mostrando seus
parâmetros de entrada, saída e informações sobre alguns elementos do mesmo.
48
numeroDeSegmentosDaBaseSuperior
passoDaBaseSuperior
passoDaLateral
numeroDeSegmentosDaLateral
alturaDeRetorno
PontoDeT rajeto
base
passoResidualDaT racao
passoDaT racao
Segmento
Resto (desprezado)
numeroDeSegmentosDaBase
FIGURA 38 - Trajeto das patas
Legenda
Informação – facilita a compreensão dos parâmetros que definem a trajetória
Parâmetro de entrada – originados da classe Ordem
Parâmetro de saída – define a trajetória
Já o número de pontos do trajeto está relacionado tanto aos parâmetros de
movimentos como aos parâmetros da ordem, influenciando diretamente a velocidade
de movimento do robô. Dependendo da configuração desses parâmetros o trajeto
terá mais ou menos pontos, o que fará com que o robô caminhe mais lentamente ou
mais rapidamente, uma vez que o intervalo de tempo durante o qual cada pata do
robô permanecerá no mesmo estado é constante. Note que a velocidade com que o
robô executa o movimento de caminhar é inversamente proporcional ao número de
pontos do trajeto.
O algoritmo desenvolvido para montar o trajeto possui a seqüência
representada na FIGURA 39 pelo diagrama de atividades:
49
Calcula a base
do trajeto
Calcula o passo da
base superior
Calcula o número de segmentos
da base do trajeto
Calcula o passo
da lateral
Calcula o passo
residual da tração
Calcula o número de segmentos da
lateral e da base superior
Calcula o tamanho
do retorno
Calcula o numero de
segmentos de retorno
FIGURA 39 - Diagrama de atividades para montar trajeto
A seguir é apresentado novamente o algoritmo só que mostrando o que é
realizado em cad um dos passos do diagrama de atividade.
1. Calcula a base do trajeto em função da abertura do robô, da PEP e da
PEA;
2. Calcula o número de segmentos da base dividindo a base pelo passo da
tração;
3. Calcula o passo residual da tração pegando o resto da divisão da base
pelo passo da tração;
4. Calcula o tamanho do retorno em função da base e da altura do robô;
5. Calcula o número de segmentos de retorno em função do numero de
segmentos da base e da marcha;
6. Calcula o número de segmentos da lateral dividindo a altura de retorno do
robô pelo tamanho do retorno;
7. Calcula o número de segmentos da base superior dividindo a base pelo
tamanho do retorno;
8. Calcula o passo da lateral dividindo a altura de retorno do robô pelo
numero de segmentos a lateral;
50
9. Calcula o passo da base superior dividindo a base pelo numero de
segmentos da base superior.
Cada ponto do trajeto tem armazenado um vetor de coordenada cartesiana,
um de coordenada articular e um de tempo do PWM que são justamente calculados
pela cinemática direta, cinemática inversa e por uma função que converte ângulo em
tempo para o PWM, este dado pelas características do servomotor.
O trajeto das patas é montado toda vez que é inserida uma nova ordem, a
lista com os pontos do trajeto, caso exista, é apagada e forma-se uma nova lista
contendo os novos pontos do trajeto.
3.3
MÓDULO MECÂNICO
Neste tópico do relatório estão descritos todos os aspectos que envolvem
partes mecânicas do robô. Desde um estudo da escalabilidade para se justificar o
modelo mecânico do robô adotado, forma de fixação escolhida e as características
do motores, materiais utilizados e do chassi. Esta parte é de fundamental
importância, visto que as limitações do projeto estão diretamente relacionadas a esta
especificação. Esta foi a estratégia adotada pela equipe: definir a estrutura de forma
a atender o escopo do projeto para depois estudar e avaliar a parte eletrônica (de
controle) que atenda a modelagem proposta.
3.3.1 ESTUDO DA ESCALABILIDADE
Uma decisão precisava ser tomada: qual a melhor solução para o tipo de
mecanismo de locomoção? As mais empregadas e conhecidas são três: rodas (será
sempre analisado para o caso de um robô de quatro rodas, pois é um modelo que já
existe para a aplicação em questão desse projeto), esteira e patas. Muitos são os
aspectos que devem ser levados em consideração, pois cada forma de locomoção
tem vantagens e desvantagens e todos eles precisam ser estudados para que se
possa decidir qual utilizar.
o Velocidade
Dependendo da aplicação, esse pode ser um aspecto fundamental
na hora de decidir o modelo de locomoção mais eficiente para um robô
51
como, por exemplo, os que levam e trazem peça para alimentar as linhas
de produção de uma fábrica. A velocidade é diretamente proporcional a
eficiência do robô. Já em outros de nada adianta ser ágil se a função que
executada é lenta e demorada. Nesse caso a precisão dos movimentos
seria muito mais importante que a velocidade.
No caso de robôs para inspeção, como a varredura deve ser feita em
toda a área, que pode ser muito grande dependendo do objeto a ser
analisado, a velocidade poderia ser fundamental, porém os sensores
normalmente exigem certo tempo para fazer os testes e o passo entre uma
medição e outra é pequeno, tornando a agilidade um fator secundário.
Das formas citadas, sem dúvida a mais rápida é o modelo com
rodas, até porque necessita apenas de um motor para movimentar o eixo
que traciona o robô. No sistema de esteira isso também acontece, porém o
movimento normalmente é mais lento, pois esse modelo é mais utilizado em
aplicações em que o atrito com a superfície é crítico ou então quando a
área de contato precisa ser grande. Por isso robôs de esteira se movem
lentamente.
O sistema de patas é mais complexo para definir se é rápido ou não,
pois depende de inúmeros fatores, tais como velocidade dos motores, tipos
de
junta
e
mecanismo
móvel
(correias,
correntes,
engrenagens),
estabilidade e linearidade desejada para o movimento e o atrito com a
superfície. Todos esses aspectos serão avaliados ainda nesse item. Mas de
forma geral pode ser considerado de velocidade mediana.
o Superfície
A superfície é o principal fator a ser analisado para que se possa
toma a decisão de qual o modelo ideal para ser empregado, pois toda a
locomoção depende das dificuldades de se fixar, percorrer toda a superfície
e contornar obstáculos pertencentes à mesma.
Inclinação
A forma de fixação está diretamente ligada à inclinação da
superfície que o robô deve percorrer. Isso porque superfícies planas
e com inclinação positiva (inferiores a 90º) em relação ao solo,
permitem que esteiras, rodas subam e patas consigam subir,
52
obviamente que com problemas de atrito no caso de inclinação
muito elevada, o que pode ser perfeitamente resolvido com
materiais antiderrapantes. Mas a partir do momento que a
inclinação passa a ser vertical (90º) ou superior (inclinação
negativa) até 180º do solo, ou seja, de ponta cabeça, torna-se
necessário um sistema de fixação muito mais eficiente que sustente
o peso do robô. Esse é o problema a ser a analisado quanto á
inclinação.
Regularidade
A regularidade da superfície está relacionada às imperfeições de
tamanho consideráveis, tais como buracos, amassados ou baixo
relevo em um trecho da superfície. Também pode ser considerada
a planicidade da mesma, para que se possa optar pelo sistema de
locomoção mais adequado.
Esse aspecto pode ser descrito para cada modelo separadamente.
No caso de rodas, um buraco na superfície pode ser um problema
relativamente grande se a roda cair dentro no mesmo, o que pode
ser considerado um obstáculo para esse modelo. Nesse caso a
varredura teria que ser feita em vários sentidos, de forma que em
nenhuma trajetória a roda tenha que passar sobre o buraco. Com
amassados ocorreria uma instabilidade na locomoção, pois sem
uma das rodas apoiada, fatalmente o robô iria balançar, já que o
peso normalmente está distribuído sobre as quatro rodas, ou seja, o
centro de massa fica próximo ao centro geométrico do robô.
Já o sistema de esteira é mais eficiente quando o buraco ou o
amassado é menor que as dimensões da mesma. Nesse caso o
robô pode passar por cima da irregularidade sem problemas, pois
não afetará em nada a locomoção. Ele passará como se não
houvesse nenhum problema na superfície. Mas no caso da
irregularidade ser maior, ou o robô contorna, da mesma forma que
a descrita para o robô de rodas, ou então passa por dentro do
buraco, já que com esteira é perfeitamente possível entrar e sair de
um buraco sem o risco de ficar preso.
53
O sistema de patas é muito flexível às irregularidades, quando
possui um certo número de graus de liberdade, pois com sensores
de contato nas patas pode-se facilmente detectar o problema e
reposicionar as patas de forma a poder superar o problema com
naturalidade, assim como permite que o robô se abaixe, ficando
mais próximo da superfície interna do amassado, de forma que
possa ser inspecionada com a mesma distância e conseqüente
precisão, em relação a superfície normal.
Rugosidade
Essa característica parece não ter influência direta para o tipo de
sistema de locomoção a ser utilizado, mas se for analisar mais a
fundo, no sentido que o robô deve andar até mesmo de ponta
cabeça, a rugosidade implica direto sobre a forma de fixação. Uma
superfície muito rugosa tem como conseqüência uma menor área
de contato entre robô e também um atrito menor.
No caso de um sistema de fixação por ventosas, a rugosidade seria
crítica, pois pode ser o diferencial entre o sucesso e o fracasso da
sustentação do robô.
Para superfícies rugosas, não existe muita diferença entre cada tipo
de sistema de locomoção, pois patas, rodas e esteira terão a
mesma dificuldade caso o nível de rugosidade seja muito elevado e
não apresentarão problemas caso a rugosidade seja pequena.
Portanto esse aspecto deve ser levado em consideração para
decidir o mecanismo de fixação, mas para a forma de locomoção
não é um fator de suma importância.
Obstáculos
O problema dos obstáculos na superfície a ser percorrida é outra
característica que influi consideravelmente na hora de decidir o
melhor modelo a ser adotado para a locomoção. Este sem dúvida
nenhuma é o item que mais diferencia entre as três técnicas.
Obstáculos podem ser divididos em duas situações distintas:
obstáculos superáveis e os que precisam ser contornados.
54
Superáveis são aqueles pelo qual o robô pode passar por cima, tais
como parafusos ou alguma espécie de ponta sobressalente. Nesse
caso os robôs de roda e esteira apresentam uma certa
complexidade, pois normalmente são baixos (principalmente o de
esteira) e também pode ocorrer a colisão da roda com o obstáculo.
Nesse caso, estes terão que buscar uma nova trajetória, busca uma
melhor posição para passar sobre ele. Quando o sistema de
locomoção utilizado é o de patas, assim como para superar
irregularidades, esse modelo é o mais indicado pelos mesmos
motivos, ou seja, flexibilidade de movimentos, permitindo que
reposicione as patas de forma a facilitar a transposição da barreira
em questão e também é normalmente mais alto que os dois outros
modelos. Além disso, permite que o robô consiga de forma mais
eficiente fazer a análise das redondezas do obstáculo, já que pode
se abaixar ou até se aproximar de forma inclinada em relação à
superfície, permitindo que o sensor fique mais próximo.
Mas no que se refere a obstáculos de grandes proporções que
empeçam o robô de passar sobre o mesmo, todos os métodos
apresentam as mesmas dificuldades e inevitavelmente devem
alterar a trajetória para conseguir contornar o problema. A
vantagem ainda que pequena é para o modelo de patas, pois
consegue andar em todos os sentidos, permitindo que o corpo do
robô passe mais próximo do obstáculo.
Magnetismo
Existem basicamente duas formas de fixação utilizadas em robôs
escaladores: por ventosas e por sistemas magnéticos. Isso será
discutido mais a fundo no item 3.3.4, tópico esse relacionado aos
tipos de patas. Como a idéia do projeto é escalar superfícies
ferromagnéticas, os princípios de fixação mais indicados são os que
utilizam os princípios magnéticos e, portanto o magnetismo é um
aspecto que deve ser levado em conta também para decidir o
sistema de locomoção a ser empregado.
No quesito magnetismo um fator que é considerado como positivo é
a área de contato que o robô tem com a superfície, já que com uma
55
área menor as formas de desenvolver o sistema magnético se
tornam mais fáceis e conseqüentemente mais baratas. Nesse
sentido a esteira leva muita vantagem sobre os outros dois
métodos, porém com patas, no caso de superfícies irregulares ele
consegue se moldar à ela, de forma a conseguir sempre a mesma
área de contato, o que não é possível com rodas e esteira.
o Trajetória
Esse critério deve pode ser dividido em dois aspectos principais que
se referem aos problemas que podem surgir no que se refere ao
deslocamento propriamente dito: granularidade e omnidirecionalidade.
Granularidade
A granularidade de um movimento de trajetória pode também ser
definido como a precisão ou até mesmo o passo entre uma posição
e outra que o robô pode alcançar. Esse é um item muito relevante
quando o intuito é fazer inspeção de uma superfície, pois nesse
caso nenhum trecho pode ficar sem ser analisado e como os
sensores têm uma certa área de cobertura, o passo entre uma
posição e outra tem que ser a maior possível a fim de se ganhar
velocidade na inspeção, mas por outro lado deve ser o menor
possível para evitar pontos não verificados.
Quanto aos tipos de locomoção, o sistema de rodas e o de esteira
são muito semelhantes para esse critério. Têm uma grande
vantagem de permitir movimentos de avanço para frente muito
lento, já que basta controlar a velocidade dos motores de tração.
Mas um problema inerente a esse sistema de locomoção é o
arraste durante uma mudança de trajetória, que apesar de parecer
suave, é sabido que sempre há um pequeno escorregamento,
principalmente na esteira. Portanto deve-se tomar cuidado quando
elaborado o programa de controle para que os movimentos de
mudança de trajetória não possam comprometer a área de
cobertura do movimento.
O sistema de patas pode ser considerado o oposto em relação ao
que acabou de ser dito dos outros dois sistemas. O robô com patas
56
apresentado e escolhido para o projeto, hexápode, retangular e
com três graus de liberdade permitem que ele se locomova em
praticamente todas as direções com a mesma precisão já que
permite andar para frente, para os lados e em diagonal. Portanto
resolve o problema de mudança de trajetória, porém deve-se tomar
o devido cuidado com o arraste, já que nesse caso o atrito deve ser
considerado para todos os movimentos, para que a pata não
escorregue ao invés de tracionar o robô para qualquer direção. Mas
isso já passa a ser problema do sistema de fixação, que também
será analisado nesse relatório.
Omnidirecionalidade
Esse item tem um pouco a ver com a questão que acabou de ser
abordada da granularidade. Omnidirecionalidade é a capacidade do
robô poder andar em todas as direções. O robô por patas, conforme
acabou de ser descrito, tem a liberdade para andar em muitas
direções diferentes, sendo limitado somente à estrutura mecânica,
tal como curso das juntas e ângulo de rotação dos motores.
Portanto é o melhor sistema quando necessário uma fácil
flexibilidade para trajetórias variadas, porém torna mais complexo o
projeto das trajetórias a serem realizadas, pois sempre são infinitas
as formas de percorrer uma determinada área.
Para sistemas de rodas e patas, a direção normal de deslocamento
é para frente ou para trás, ou seja, em apenas um eixo. No caso da
necessidade de ir parra uma posição ao lado da que o robô se
encontra é preciso fazer uma manobra muito grande quando
comparada ao robô de patas.
o Paralelismo com a superfície
A princípio parece óbvio afirmar que um robô de esteira ou com
rodas é o mais indicado para percorrer superfícies de forma a manter um
paralelismo entre o corpo do robô e o chão. Isso porque a primeira situação
que se imagina é a de uma superfície plana. Mas vale lembrar que o robô
tem como escopo vencer superfícies com diferentes graus de inclinação e
inevitavelmente vão ocorrer situações como a apresentada na FIGURA 40
57
C orpo do R obô
S en s o r
R oda
P ata s
R o bô de rodas
R o b ô d e p ata s
FIGURA 40 - Vantagem do robô de patas em relação ao de rodas ou esteira
Fica muito evidente que quando existe a necessidade de se fazer
inspeção ou qualquer tipo de análise da região de transição entre duas
superfícies, o robô de patas é extremamente flexível para se moldar de
forma que o sensor fique sempre perpendicular à superfície e com a mesma
distância também. Isso de forma algum é possível no caso de robôs de
rodas ou esteira. Para esses tipos de robôs, seria necessário um
mecanismo para movimentar e alinhar o sensor, tornando o projeto mais
complexo.
Depois de analisar todos os tópicos que foram tratados nesse item do
relatório, fica evidente que, para a aplicação desejada, em poucos o sistema de
locomoção utilizando patas tem desvantagem sobre os dois outros dois. E quando
isso ocorre a desvantagem é muito ínfima se comparada com a vantagem que tem
nos demais aspectos e, portanto foi isso que levou a equipe a adotar esse modelo
para ser utilizado no projeto.
3.3.2 ESTRUTURA MECÂNICA DO ROBÔ
Com a decisão de se utilizar robô com pernas, buscou-se robôs existentes no
mercado, com foco nas estruturas mecânicas (chassis) e demais composições
(pernas, servos...), levando em consideração as dimensões e principalmente os
graus de liberdade de cada pata.
Os robôs de pernas são classificados em bípedes, quadrúpedes, hexápodes,
etc. Pela especificação do projeto o robô bípede foi descartado de imediato. Com
relação a quatro e seis pernas um estudo mais detalhado foi realizado. Como o
58
escopo do projeto exige que o robô seja escalador e a fixação será feita por meios
eletromagnéticos, a utilização de seis patas se mostra muito melhor que a de quatro,
já que serão mais pernas em contato com a superfície para sustentá-lo. Além disso,
um robô com seis patas permite maior flexibilidade nas formas de locomoção
aumentando, portanto a mobilidade. Considerando também a tendência mundial e
que mais de seis patas se tornaria inviável pelo aumento do custo e da
complexidade, já que seriam mais servos, mais controles, optou-se pela utilização de
um robô hexápode.
Além disso, decidiu-se por utilizar três graus de liberdade por pata, já que é
um número bastante utilizado em projetos mais sofisticados. Isso permite que o robô
possa andar de lado (caminhada tipo caranguejo) e de diversas formas. Nesses
modelos são necessários dezoito servos.
Com isso alguns formatos de chassis foram encontrados.
3.3.2.1
Chassis
Encontrou-se no mercado dois modelos de chassis hexápodes, o redondo e o
retangular.
Na FIGURA 41 e na FIGURA 42 tem-se o robô cuja forma geométrica do
corpo é circular, com 6 patas igualmente espaçadas entre si, ou seja, a 60º uma da
outra. Isso permite ao robô andar em todos os sentidos sem necessidade de
rotacionar o corpo.
FIGURA 41 - Robô com chassi redondo
FIGURA 42 - Foto do chassi redondo
59
Já na FIGURA 43 e na FIGURA 44, tem-se o robô com a simetria do corpo
retangular que permite ao robô andar para frente, para trás, para os lados e em
diagonal, porém esse último movimento é mais limitado que para o robô circular.
FIGURA 43 - Robô com chassi retangular
3.3.2.2
FIGURA 44 - Foto do chassi retangular
Pernas
Na FIGURA 45 é mostrada uma perna com três graus de liberdade. Nela
pode-se notar as articulações e as posições dos servos.
FIGURA 45 - Foto de uma das pernas do robô
60
3.3.2.3
Peças
Para unir as partes do corpo utilizam-se parafusos de aço e espaçadores de
nylon. Para prender os motores às pernas utilizam-se rebites de nylon.
FIGURA 46 - Espaçadores de nylon
As vistas frontal e superior são apresentadas na FIGURA 47 e na FIGURA 48,
respectivamente.
FIGURA 47 - Vista frontal da perna instalada FIGURA 48 - Vista superior da perna instalada
ao corpo
ao corpo
3.3.2.4
Composição do Material
Quanto ao material do robô optou-se por um material que fosse leve e
resistente. Com isso a busca convergiu aos robôs de policarbonatos.
Esse material relativamente novo é, na verdade, um dos mais avançados
polímeros no campo dos plásticos, sendo considerado um plástico de engenharia,
61
ou seja, um material que reúne características de resistência que o qualifica para
aplicações de alta exigência.
Na especificação do fabricante do robô encontra-se o termo Lexan. Lexan é
uma chapa de policarbonato, que é atingida a partir de um sistema de polimerização
patenteado pela General Eletric.
Principais características das chapas de policarbonato:
o Resistência ao impacto: as chapas de policarbonato oferecem uma
excelente resistência ao impacto, sendo 250 vezes superior à do vidro, e
30 vezes superior à resistência do acrílico.
o Curvatura a frio: as chapas de policarbonato podem ser curvadas a frio, ou
seja, as chapas são sempre planas, e quando da necessidade de utilizar
em uma estrutura curva basta depositá-la sobre a estrutura e fixá-la
adequadamente que ela se curvará sem quebrar.
o Leveza: as chapas de policarbonato são muito mais leves que o vidro. As
compactas pesam a metade, e as alveolares 12 vezes menos.
o Resistência aos raios ultravioleta: enquanto outros materiais plásticos
como o acrílico, o PVC, o polipropileno, o polietileno e a fibra de vidro são
atacados pelos raios ultravioletas, as chapas de policarbonato possuem
uma proteção contra este ataque, com uma garantia de 10 anos.
o Atendimento a códigos de flamabilidade: as chapas Lexan têm as
melhores características de resistência à chama exigida para materiais
plásticos
transparentes.
As
chapas
atendem
a
classe
um
dos
conceituados Underwriter's Laboratories.
Na FIGURA 49 visualiza-se um teste, onde o chassi do robô hexápode recebe
uma torção para provar a flexibilidade e a resistência do material.
62
FIGURA 49 - Teste com material de policarbonato
3.3.2.5
Graus de Liberdade
o Um Grau de Liberdade por Pata
z
x
y
FIGURA 50 - Robô com um grau de liberdade por pata
Este tipo de robô realiza o movimento de caminhar através do
movimento de translação da extremidade da pata sobre o eixo y, este
movimento é semelhante ao movimento proporcionado pelos robôs com
rodas.
Vantagens:
Sistema
de
controle
simples;
implementação do robô com poucos motores.
Possibilidade
de
63
Desvantagens: Incapacidade de controlar a trajetória; Modo de
caminhar instável.
As desvantagens desqualificam este tipo de robô para a aplicação.
o Dois graus de liberdade por pata:
Este tipo de robô realiza o movimento de caminhar através da
composição do movimento de translação do conjunto da pata em torno do
eixo z e o movimento vertical da pata sobre o eixo z.
Vantagem: Algoritmo de caminhar simples.
Desvantagens: Arraste das patas; Trajetória pouco controlável.
As desvantagens desqualificam este tipo de robô para a aplicação
z
x
y
FIGURA 51 - Robô com dois graus de liberdade por pata
64
o Três graus de liberdade por pata:
z
x
y
FIGURA 52 - Robô com três graus de liberdade por pata
Este tipo de robô realiza o movimento de caminhar através da
composição de translação do conjunto da pata sobre o eixo z que
proporciona o movimento de deslocamento do robô como um todo e a
composição dos dois movimentos sobre o eixo x de forma a compensar o
arco gerado pela translação (este assunto será aprofundado no capítulo:
Modelagem).
Vantagens: Trajetória muito controlável;
Desvantagens: Algoritmo de controle complexo;
As vantagens qualificam este tipo de robô para a aplicação.
3.3.2.6
Servos
O robô adquirido utilizado no desenvolvimento do projeto foi desenvolvido
para caminhar sobre superfícies sem inclinação em relação ao plano horizontal.
Os servo-motores do grau de liberdade que proporciona a propulsão do robô
adquirido são, portanto, dimensionados de forma a desconsiderar a componente
normal do robô que aparece quando ele está escalando superfícies inclinadas.
Então foi analisada a influência desta componente para o pior caso, ou seja, o
robô se deslocando numa superfície vertical para cima.
Não se tem uma estimativa razoável para a aceleração, mas é comum na
modelagem de robôs escaladores atribuir à componente dinâmica um valor igual ao
65
peso. Deste modo, a força total que age no sentido vertical e que deve ser superada
pelo somatório das forças dos servos é igual a 80N, já que a massa total do robô é
de 4kg.
Cinco patas fazem força ao mesmo tempo, portanto cada uma dessas patas
deve ser capaz de carregar 1/5 desta carga, ou seja, 16N.
FIGURA 53 - Forças de agem no robô escalando uma parede vertical
A especificação de um servo útil para determinar a capacidade de carga é o
torque. O tamanho do braço de alavanca influencia na capacidade de carga. Na
expressão abaixo: o vetor torque τ é o produto vetorial entre o vetor do braço r de
alavanca e o vetor força F.
ρ ρ ρ
τ = r ×F
O braço de alavanca da pata é 11cm conforme a FIGURA 54 abaixo:
66
11cm
FIGURA 54 - Braço de alavanca da pata do robô
De posse da especificação de carregamento e do braço de alavanca é
possível calcular o torque necessário para um único servo-motor.
τ = 0,11 ⋅ 16 ⋅ sen(90°) = 1,760 N ⋅ m
Existem
três
motores
disponíveis
que
atendem
as
especificações
dimensionais do robô, já que os recortes nas partes mecânicas são exatos e não
permitem qualquer tamanho de motor. São eles:
67
Servos
Características
HS-475HB
Torque:
0,55N.m
Peso: 40g
HS-645MG
Torque:
0,96N.m
Peso: 55g
HSR-5995TG
Torque: 3N.m
Peso: 62g
FIGURA 55 - Servos motores
O único servo-motor cuja especificação de torque atende aos requisitos é o
HSR-5995TG com um coeficiente de segurança de 70%. Apesar de só esse modelo
ser aceitável para aplicação, no momento da aquisição do robô apenas o modelo
HS-645MG estava disponível para venda no site da Lynxmotion. Levando-se em
consideração a elevada diferença de preço dos dois modelos e o tempo que poderia
levar até serem disponibilizados o modelo desejado, foi optado por adquirir o
68
segundo modelo, mesmo tendo consciência de que não atenderia perfeitamente às
necessidades do projeto.
Para efeito de comparação, o motor adquirido custa cerca de 45 dólares a
unidade e o outro 280 dólares, já considerando todas as despesas de importação.
Isso representava uma diferença muito significativa no custo de desenvolvimento, já
que a idéia era usar o robô adquirido apenas como protótipo para estudo e análise
para então reprojetar e mandar refazer a parte mecânica com as dimensões
apuradas após essa etapa. Por isso nem foram procurados outros representantes
para adquirir logo de início o motor correto.
Depois que o robô foi recebido, montado, exaustivamente testado pôde-se
concluir que o motor necessário para uma perfeita escalabilidade em superfícies
verticais realmente seria o HSR-5995TG. Com o motor atual o robô conseguiu
escalar superfícies com aproximadamente 25° de inclinação. Como ainda não
estava disponível para a venda pela Lynxmotion foram pesquisados representantes
do fabricante do motor para que fosse realizada a compra diretamente. A compra foi
efetuada em novembro de 2005, mas até a presente data não chegaram
3.3.3 DECISÃO DO ROBÔ A SER COMPRADO
Alguns sites de empresas que fornecem robôs hexápodes foram pesquisados,
principalmente nos Estados Unidos. Chegou-se a encontrar modelos extremamente
simples, que chegavam a funcionar apenas com dois motores, sendo que apenas
um motor era utilizado para coordenar o movimento de três patas.
Duas empresas americanas de robôs apresentaram modelos de robôs mais
completos, robustos e adequados para as especificações. A primeira foi a Robotic
Crust Crawler Design & Development, sediada no Arizona – EUA. A segunda foi a
Lynxmotion, Inc, sediada em Pekin,IL – EUA.
A Robotic Crust Crawler oferece o modelo HexCrawler HDATS (Heavy Duty
All Terrain System). É um robô de alumínio, com três graus de liberdade. A
Lynxmotion, possui o modelo Extreme Hexpod 3. Também é um robô com três graus
de liberdade, porém de policarbonato.
Pode-se ver os dois modelos na FIGURA 56 e na FIGURA 57.
69
FIGURA 56 - Modelo HexCrawler
FIGURA 57 - Modelo Lynxmotion
São modelos bastante parecidos, que possuem características muito
semelhantes. Os servo-motores são os mesmos para os dois modelos. Em relação
ao peso, o HexCrawler pesa 2,608 Kg, o Lynxmotion 3,234 Kg. Quanto ao tamanho,
para o HexCrawler e o Lynxmotion as medidas do robô são 50,6x30,48x15,24 cm e
43,18 x 40,64 x 17,78 cm, respectivamente.
Considerando estes levantamentos, decidiu-se pela compra do modelo
Extreme Hexpod 3 da Lynxmotion. Este foi o que apresentou o material mais
apropriado, já que o alumínio em ambientes salinos sofre oxidação e corrosão, além
de ter melhores especificações técnicas.
Na FIGURA 58, pode-se observar o tamanho do robô em comparação a uma
latinha de refrigerante. Nota-se que o robô passa pela lata, já que a sua altura varia
de 5 a 18 cm conforme se varia o ângulo das patas.
FIGURA 58 - Robô Lynxmotion sobre uma lata de refrigerante
70
3.3.4 PATAS MAGNÉTICAS
Existem algumas formas possíveis de se fixar um corpo em superfícies
ferromagnéticas, porém estudando as características de cada uma e também as
possibilidades viáveis e funcionais para o fim desejado, escalar cascos de navios e
plataformas de exploração petrolífera, algumas soluções são descartáveis pela
complexidade de implementação ou então pela ineficiência.
Entre os sistemas utilizados atualmente em robôs escaladores, um dos mais
empregados em máquinas para inspeção de dutos de ar condicionado, por exemplo,
são ventosas de borrachas com acionamento por eletroímãs. Um protótipo utilizando
esse sistema de fixação pode ser observado na FIGURA 59, que foi estudado e
desenvolvido pela Universidade de Hong Kong. Essa técnica não é viável para a
aplicação proposta, pois para isso as superfícies devem ser perfeitamente lisas e
sem nenhum tipo de sujeira que possa interferir na vedação da ventosa fazendo com
que a mesma fique solta sobre a superfície.
FIGURA 59 - Protótipo de robô escalador usando ventosas
Uma outra forma já empregada inclusive em um protótipo de robô para
inspeção de superfícies ferromagnéticas é um carro provido de rodas de ímãs
permanentes. É o caso do robô desenvolvido pelo CENPES que foi apresentado
anteriormente (FIGURA 3), de forma que ficasse sempre fixo ao casco. Dessa forma
a área de contato do ímã é sempre a tangente da roda com a superfície, o que torna
71
necessário o uso de um ímã extremamente forte e robusto para sustentar todo o
peso do robô somado com as forças envolvidas.
Além desses dois modelos, um terceiro que foi estudado é o apresentado na
FIGURA 60, que consiste em um robô escalador que como sistema de
movimentação utiliza uma esteira dotada de ímãs permanentes. Esse sistema é
muito eficiente, mas apresenta dois pontos negativos já citados no capítulo referente
à escalabilidade (3.2): a dificuldade de superar obstáculos e o arraste durante uma
manobra. Além disso, as esteiras magnéticas que existem comercialmente,
utilizadas em robôs são muito caras por causa da complexidade de fabricação. Esse
robô de esteira foi desenvolvido por um grupo de pesquisa da Universidade Jiao
Tong de Shanghai, China.
FIGURA 60 - Robô escalador com esteira de ímãs permanentes
Analisando os pontos positivos e negativos desses três modelos de fixação, e
levantando os requisitos necessários do projeto em si, pôde-se decidir qual a melhor
forma de fixação para ele. A fixação será tratada no item 3.3.4.2.
3.3.4.1
Requisitos
Os requisitos básicos determinantes para a escolha da forma de fixação
eram:
o Atender aos diversos formatos de superfícies desejadas, pois podem
apresentar ângulos entre as chapas que não sejam de 180°, aclives,
72
declives e até mesmo nas situações em que o robô deva andar de ponta
cabeça;
o Sustentar o peso do robô, considerando toda sua massa com motores,
placa de controle e também os cabos dependurados do cordão umbilical
responsável pela alimentação e controle da parte eletroeletrônica;
o Possuir uma margem de segurança para o caso de algumas patas não
conseguirem fazer a devida fixação, com força inferior à plena. Isso pode
ocorrer por uma irregularidade na superfície, como uma solda, parafusos
ou porosidade, o que reduz a área de contato da pata com a superfície e
conseqüentemente a força de fixação;
o Ser suficientemente forte para evitar escorregamento quando o robô
estiver em posições que não a horizontal. Como a superfície escalada
tende a ser lisa e a superfície de contato da pata com a mesma também o
é, esse requisito deve ser atendido para que evite erros na trajetória de
locomoção.
3.3.4.2
Soluções Apontadas
Depois de analisar as soluções já empregadas em aplicações semelhantes às
desse projeto, considerando dificuldades de implementação, eficiência e também
viabilidade, o sistema de ventosas pode ser desconsiderado de imediato, pois
qualquer imperfeição na superfície ou sujeira o torna ineficiente.
Então restou como alternativa o uso das patas magnéticas. Mesmo assim
ainda eram muitas as opções que podiam e deviam ser analisadas antes que
pudesse determinar a melhor delas.
A primeira delas e que parecia mais simples era o uso de eletroímãs, inteiro
de ferro doce, com enrolamento de cobre, que é o modelo mais comum e
extremamente empregado em diversas aplicações industriais, como guinchos para
içar sucata em ferros velhos e fundições de ferro e aço.
E a outra seria o uso de ímãs permanentes, baseado na idéia do modelo
desenvolvido pelo CENPES (FIGURA 3).
Essa também é uma forma bastante
eficiente, considerando-se os ímãs que existem no mercado, pois suportam muito
peso, tendo um volume e peso muito pequenos.
73
Então se partiu para o desenvolvimento do primeiro protótipo que consistiu
em um núcleo maciço de ferro doce com um enrolamento de cobre. Seguem as
descrições de todas as etapas do desenvolvimento, testes e conclusões tiradas para
cada protótipo.
o Eletroímã em forma de carretel de ferro doce:
Essa foi a primeira experiência realizada, pois é um modelo muito
utilizado, já que é o mais simples e bastante eficiente. E pela facilidade de
confecção dos carretéis, utilizando ferro doce, os primeiros protótipos
ensaiados foram feitos com o material disponível só para efeitos de estudo,
com o intuito de verificar as dificuldades que podem ocorrem na prática e
que através de equações teóricas acabam sendo desconsiderados.
Na FIGURA 61 podem ser vistos os dois eletroímãs de carretel de
ferro doce confeccionados. As dimensões são as seguintes:
À esquerda: núcleo de 9mm, ø de 23mm, comprimento de 27mm e
fio 0,3mm;
À direita: núcleo de 7mm, ø de 20mm, comprimento de 20mm e fio
0,3mm;
FIGURA 61 - Eletroímãs confeccionados com carretel de ferro doce
É sabido que o campo magnético ( B ), é dado por:
74
FIGURA 62 - Equação do campo magnético de um eletroímã
e a força do imã será proporcional à energia armazenada no campo
magnético:
Portanto, W depende diretamente do quadrado do número de espiras
(N), assim como diretamente proporcional ao quadrado do raio da bobina
(r), do quadrado da corrente aplicada à bobina (I), ao material do núcleo
(que apresenta uma permeabilidade magnética µ) e é inversamente
proporcional ao comprimento da mesma (l). Para o material do núcleo
existem algumas ligas com uma permeabilidade alta, mas o material mais
acessível e muito utilizado para esse fim, que foi usado nos estudos, é o
ferro doce. A corrente a ser aplicada é um problema fundamental para esse
modelo, pois durante a locomoção, supondo que cinco patas estejam
sempre fixas enquanto a sexta se movimenta, representa o consumo de
muita potência simplesmente para mantê-lo fixo à superfície.
Basicamente a variável que pode ser alterada é o número de espiras
(N), e para isso há duas possibilidades reduzir o diâmetro do fio, o que
implica em uma corrente nominal aplicável menor, porém uma força maior
com um núcleo de mesmo tamanho ou então modificar as dimensões da
bobina, aumentando o comprimento da bobina ou diminuindo o diâmetro do
núcleo.
O carretel que está do lado esquerdo na FIGURA 61 era capaz de
sustentar um corpo de aço de 1,1Kg aproximadamente, o que atenderia aos
75
requisitos para sustentar o robô com 5 patas em contato com a superfície e
a outra movimentando. Para esses testes foi utilizada uma fonte de tensão
comercial de 30+30V/5A. Um problema constatado foi o aquecimento do
carretel já que a corrente nominal aplicada estava acima da recomendada
em tabelas de fio esmaltado.
Isso se resolveria dimensionando o carretel para comportar mais
espiras e poder trabalhar na corrente nominal do fio, mas dois grandes
problemas surgiram: o alto consumo de potência, já que pode ser
necessário que o robô fique horas na mesma posição ou andando; e no
caso de falta de energia ele se soltaria da superfície, escorregando se
estiver num plano inclinado ou cairia em queda livre se estivesse em
ângulos superiores a 90°.
Para isso seria necessário um sistema de segurança que o
impedisse se chocar com o solo ou água e para não ficar pendurado cordão
umbilical. Ficar preso por uma corda, por exemplo, afastaria o risco de
perdê-lo, mas conseqüentemente sairia da posição em que estava e então
se tornaria necessária à recolocação do mesmo no local em que estava
assim que fosse resolvido o problema da alimentação elétrica. Também no
caso dele precisar ficar parado em algum ponto iria consumir potência
durante todo o tempo, já que pelo menos o número mínimo de patas
necessárias para mantê-lo fixo deveriam ficar energizadas.
o Eletroímã em forma de carretel de nylon com núcleo de ferrite:
Mesmo com o modelo anterior tendo funcionado de forma a atender
os requisitos de funcionamento, foram testados mais dois modelos com o
carretel confeccionado em nylon, para verificar quais seriam as diferenças
com relação à força do eletroímã, já que se funcionasse da mesma forma, o
peso seria reduzido, contribuindo de forma positiva para a estrutura
mecânica.
Esse primeiro modelo consistia em um carretel com um núcleo de
ferrite. Mas já no primeiro teste, observou-se que a força de atração era
muito pequena. Então, estudando as características do ferrite e lendo
artigos sobre o assunto pode-se concluir que esse material não é
apropriado para operar em corrente contínua (CC), já que não é possível
criar uma orientação atômica que gere um campo magnético intenso. Por
76
isso o ferrite é mais utilizado para corrente alternada (CA) já que não fica
com magnetismo residual elevado, ou seja, tem uma baixa histerese.
o Eletroímã em forma de carretel de nylon com núcleo de ferro doce:
Já o segundo modelo utilizando carretel de nylon foi semelhante ao
que acabou de ser descrito, porém com um núcleo de ferro doce, depois de
descartada a possibilidade de empregar ferrite em CC.
Apenas substituindo o núcleo, mantidas as mesmas características e
dimensões, já se pôde observar uma variação no comportamento do
eletroímã causada por essa alteração. O eletroímã teve sua força
aumentada, mas ainda longe dos resultados obtidos com o carretel inteiro
de ferro.
3.3.4.3
Estudo de ímãs permanentes
Apesar desse último protótipo ter funcionado bem, o risco de queda por falta
de energia e alto consumo continuava existindo. Com isso surgiu uma nova idéia
para desenvolver algum mecanismo usando ímãs permanentes que garantissem a
sustentação do robô. Para tal, foram estudados os tipos de ímã permanente que
existem no mercado de forma comercial. Segue um descritivo dos principais e a
TABELA 3 comparativa.
o Liga de NdFeB:
Alta intensidade de campo magnético;
Alto fator de remanência e coercividade (11500 Oersted);
Custo relativamente baixo;
Mecanicamente mais resistente que a liga SmCo;
Pode ser usado até 200 graus Celsius;
Não recomendado para uso em atmosfera de hidrogênio líquido;
O tipo colado pode ser cortado por máquina, mas não suporta choques
mecânicos.
o Liga de SmCo:
Alta intensidade de campo magnético;
77
Ideal para aplicações de alto desempenho;
Alta resistência à desmagnetização (18000 Oersted);
Excelente estabilidade térmica;
Alta resistência à corrosão;
Imã de custo elevado;
Pode ser usado até 300 graus Celsius;
Quebradiço (produz lascas facilmente) - não é recomendado para uso
como componente estrutural.
o AlNiCo
Mais barato que os imãs de ligas de terras raras (NdFeB e SmCo);
Temperatura de funcionamento tão alta como 550 graus Celsius;
Coeficiente de temperatura bastante baixo;
Baixa coercividade quando comparado a outros grupos de ímãs;
Altos níveis de campos de indução magnética.
o Ferrites
Frágeis;
Pobre estabilidade térmica;
Mais barato dentre todos os grupos;
Pode ser usado até 300 graus Celsius;
Necessita moagem para atingir tolerância à compressão;
Deve ser usado como pó em situações que exigem compressão;
Alta resistência à corrosão.
78
TABELA 3 - Tabela comparativa de ímãs permanentes
Comparações
Baixo
Alto
Custo
Ferrite AlNiCo NdFeB SmCo
Intensidade de campo
Ferrite AlNiCo SmCo NdFeB
Temperatura de operação
NdFeB Ferrite SmCo AlNiCo
Resistência à corrosão
NdFeB SmCo AlNiCo Ferrite
Resistência à desmagnetização AlNiCo Ferrite NdFeB SmCo
Resistência estrutural
Ferrite SmCo NdFeB AlNiCo
Coeficiente de temperatura
AlNiCo SmCo NdFeB Ferrite
Com essa tabela e analisando as características de cada ímã, apenas dois
tipos são viáveis para a aplicação em questão. São as ligas de NdFeB (Neodímio
Ferro Boro) e SmCo (Samário Cobalto). Mas comercialmente, o ímã de NdFeB é
mais barato e mais fácil de ser encontrado que o segundo, e além disso o primeiro
tem mais intensidade de campo, que é a principal característica requisitada nessa
aplicação.
Esses ímãs não são fabricados no Brasil e isso dificulta bastante encontrar na
literatura ou em sites informações sobre as especificações de força de atração,
coercividade e outras características importantes para o dimensionamento correto.
Por isso foram comprados alguns modelos de tamanhos variados desse ímã e
muitos testes foram feitos a fim de verificar quais as dimensões ideais para que se
consiga a sustentação do robô.
Verificou-se que a força necessária para sustentar o robô na vertical era
obtida com dois ímãs em forma de barra redonda, conhecida como retma. Podem
ser considerados pequenos, pelas dimensões de 8mm de diâmetro por 8mm de
comprimento. Juntos sustentam aproximadamente quatro quilos, peso total do robô,
garantindo uma excelente margem de segurança, já que com apenas duas patas o
robô ficaria fixo.
Mas então surgiu outro problema: como soltar a pata da superfície? Como o
robô tem uma estrutura mecânica que não foi projetada para ser usada dessa forma,
os motores não conseguiriam soltar a pata sem fazer um esforço acima do previsto,
assim como seria exigido mais da estrutura mecânica propriamente dita. Surgiu a
necessidade de desenvolver uma forma simples e de pequenas proporções para
resolver tal problema.
Todas as possibilidades de solução mecânica exigiriam mais um motor ou
algum sistema hidráulico/pneumático que pudesse gerar uma força para soltar o
79
ímã, o que seria muito complicado de adaptar à pata. Então a solução para soltar
deveria ser de mesma origem que a força de fixação, ou seja, magnética. A idéia foi
a seguinte: para soltar o ímã permanente, bastaria anular seu campo e para isso a
solução adotada foi utilizar um eletroímã.
3.3.4.4
Sistema de fixação empregado
Iniciou-se uma nova frente de pesquisa da melhor forma a ser feito esse
sistema ímã-eletroímã e analisando as formas possíveis e viáveis para adaptar à
pata, a melhor seria uma bobina envolta do ímã. Um primeiro protótipo montado foi
baseado no carretel de núcleo de ferro. Apenas foi feito um furo na extremidade, que
fica em contato com a superfície, do núcleo e colocado um ímã com as dimensões já
citadas (8mmx8mm), conforme pode ser visto na FIGURA 63.
Núcleo de Ferro Doce
Ímã Permanente
FIGURA 63 - Carretel para enrolar a bobina do eletroímã com ímã na extremidade
Mas constatou-se que dessa forma não funciona pelo seguinte motivo. O
campo magnético gerado pelo eletroímã no núcleo só é capaz de anular o campo na
região de contato ímã núcleo. Visto isso, partiu-se para um novo modelo. Usando o
mesmo núcleo ainda, foi aprofundado o furo, de forma que o ímã ficasse embutido
no núcleo e uma “tampa” do mesmo material do núcleo fosse colocada no furo,
como mostrado na FIGURA 64.
Núcleo de Ferro Doce
Ímã
Permanente
Doce
Núcleo de Ferro Doce
FIGURA 64 - Carretel para enrolar a bobina do eletroímã com ímã embutido no núcleo
80
Realizando testes descobriu-se o seguinte: o campo magnético no núcleo foi
anulado, mas por outro lado, surge um campo magnético devido ao carretel, ou seja,
no momento em que a corrente aplicada ao enrolamento é suficiente para anular o
campo do ímã (núcleo do carretel), a peça presa ao carretel não se solta, pois fica
presa pelo campo magnético do eletroímã gerado no restante da superfície da
tampa do carretel. Para isso o carretel de ferro foi abandonado e um novo, com as
mesmas dimensões, foi construído em nylon.
Esse protótipo funcionou bem no sentido que se conseguiu anular a força do
ímã, e como o nylon isola de forma eficiente o campo magnético, devido a sua
permeabilidade, a peça se soltava. Mas por outro lado, com o ímã entre dois
pedaços de ferro doce, a força resultante na extremidade do núcleo torna-se muito
inferior se comparada quando do contato direto ímã-superfície. Para quantificar essa
perda, como exemplo, o ímã em contato direto consegue sustentar um corpo aço de
1,5kg e com 5mm de núcleo isolando o ímã este passa a sustentar apenas 400g.
Mesmo com a “tampa” do núcleo de ferro doce abaixo do ímã, a corrente
necessária para conseguir anular o campo magnético precisava ser alta, algo
próximo de três ampères de pico, e para reduzi-la só podia ser adotada uma
solução, aumentar o tamanho dessa “tampa”, fazendo com que o ímã ficasse
exatamente no meio da bobina, já que quanto maior o pedaço do núcleo, maior o
campo magnético gerado sobre ele. Mas por outro lado, a força resultante na
extremidade da bobina reduziu-se mais ainda.
Como a margem de segurança desejada para o projeto é para que apenas
duas patas conseguissem suportar o peso do robô inteiro, foi necessário
confeccionar outro protótipo, agora utilizando um ímã de dimensões maiores. Foram
comprados ímãs de 6,35mm de espessura, por 12,7mm de diâmetro. E então foi
confeccionado um carretel de nylon de 25mm de diâmetro por 25mm de
comprimento.
A FIGURA 65 é uma foto do carretel de nylon com núcleo composto de ferro
doce e ímã permanente que acabou de ser citado.
81
FIGURA 65 - Carretel de nylon com núcleo composto de ferro doce-ímã permanente
Depois que esse modelo já estava pronto e funcionando, encontrou-se a
patente que utiliza exatamente esse princípio, ou seja, um eletroímã envolto em um
ímã permanente com o objetivo de anular o campo desse. Essa patente é para
aplicação em freios, que ao invés de utilizar um sistema hidráulico, tem o princípio
do tambor acionado por meios magnéticos que foi citada no item 2.3.1.
Todos esses protótipos foram estudados, feitos, e testados antes que o robô
que fora adquirido chegasse. Com o robô em mãos pôde-se fazer testes mais reais,
pois analisando a locomoção apareceria a componente do atrito na hora de tracionar
o corpo para frente, força de escorregamento das patas já que o movimento dos
motores apresenta uma certa folga além de outros fatores que não eram possíveis
de se estimar antes.
Após esse último modelo aprovado foi apenas uma questão de dimensionar
corretamente para chegar no modelo final. Para isso foi confeccionado no mesmo
estilo, em nylon um carretel com 35mm de diâmetro e com um ímã de 16mm de
diâmetro e 5mm de espessura foi usado. Conforme citado, o entreferro abaixo do
ímã reduz de forma considerável a força de atração do mesmo e para evitar isso o
ímã ficava isolado da chapa por um tarugo de 16mm de diâmetro por 6mm de
espessura de ferro doce e acima do ímã havia um núcleo de 13mm de ferro doce, já
que o carretel inteiro tinha 24mm de altura.
Essas espessuras de núcleo foram totalmente empíricas porque não há na
literatura descrição de como calcular um sistema em sanduíche da maneira como foi
82
feito. Portanto alguns tamanhos foram testados e tomaram-se esses como ideais
para o modelo final.
Como uma das importantes características no sistema de fixação eram as
dimensões e principalmente o peso, o fio estava sub-dimensionado. Assim tinha-se o
maior número de espiras possível no carretel, mesmo que a corrente de pico
aplicada no momento da anulação do campo ser muito maior (cerca de 10 vezes) à
corrente nominal recomendada em tabelas de fios esmaltados. Isso não foi
considerado preocupante de início porque eram aplicados apenas picos e muito
rápidos de forma que não haveria o risco de ruptura do fio por sobre corrente.
Mas com testes de longa duração percebeu-se um aquecimento acima do
tolerável, comprometendo o funcionamento do sistema por dois motivos: o ímã não
pode ser submetido a temperaturas superiores a 70ºC para não perder o
magnetismo e o fio quando se aquece altera a resistência e conseqüentemente o
campo produzido diminuía.
Para
melhorar
esse
problema
sem
alterar
as
dimensões,
foram
confeccionados carretéis em alumínio, selados de forma que as superfícies de
alumínio funcionassem como dissipadores de calor com o ambiente, já que esse
material é muito melhor condutor de calor que o nylon. Com esse protótipo pronto,
mais uma medida foi adotada para amenizar ainda mais esse problema: otimizar o
pulso do eletroímã. Já que é acionada uma bobina de cada vez e se o pulso fosse
muito rápido durante um ciclo completo de caminhar o eletroímã estaria ligado por
pouco tempo, compensando o sub dimensionamento do fio.
Isso funcionou muito bem e então esse ficou sendo o modelo final do sistema
de fixação do robô à superfície. A FIGURA 66 mostra a aparência externa do
sistema ímã-eletroímã que está fixado na pata do robô. Também pode se ver uma
película de borracha de PVC expandido que foi colada embaixo do carretel. Isso foi
necessário para aumentar o coeficiente de atrito entre o mesmo e a superfície e
conseqüentemente diminuir o escorregamento quando ele anda em superfícies lisas.
83
FIGURA 66 - Sistema ímã-eletroímã responsável pela fixação do robô à superfície
Assim melhorou a linearidade do caminhar já que ao tocar o solo, a pata não
escorrega mais, compensando a folga que os servos motores têm chamada de dead
band. Essa borracha também ajuda no movimento em superfícies inclinadas já que
aumentando o atrito reduz-se a força de atração necessária dos ímãs para sustentar
o peso do robô.
3.3.5 FIXAÇÃO DO CARRETEL À PATA
Mais uma peça mecânica que precisava ser desenvolvida era o sistema de
fixação dos carretéis às patas. Já de início sabia-se que não poderia ser um sistema
fixo de acoplamento, já que era necessário compensar duas situações que
acontecem durante o movimento.
Para que se tenha uma maior força de fixação dos ímãs, é necessária a maior
área de contato possível. Para isso a base do carretel deve estar completamente
apoiada na superfície. Como o ângulo entre a superfície em que o robô está se
locomovendo e o último segmento da pata depende de inúmeros fatores, dificilmente
resultando em um ângulo reto, uma articulação se fez necessária para a pata se
apoiar corretamente. Essa articulação está indicada na FIGURA 67.
84
FIGURA 67 - Articulação que permite a maior área de contato do ímã com a superfície
Outra situação que necessita articulação é no momento que o corpo está
sendo tracionado para frente ou para trás pelos motores fixos no corpo do robô. Isso
gera uma rotação da pata em relação ao solo em torno do eixo Z. Como as patas
estão fixas pelo ímã e a película de borracha de PVC aumenta o coeficiente de
atrito, forçar essa rotação não seria desejável e por isso há uma articulação
mecânica conforme indicada na FIGURA 68.
FIGURA 68 - Articulação que permite a rotação da pata em relação ao carretel
Como esses graus de liberdade são simplesmente mecânicos e livres, sem
qualquer tipo de trava, duas molas são usadas para restringir o movimento. Uma
garante que, no momento em que o robô esteja escalando uma parede lateralmente,
a bobina continue perpendicular à superfície e não inclinada. A outra garante que a
85
bobina sempre esteja com a mesma posição em relação à rotação possível ao longo
do eixo Z cada vez que a pata se eleva.
3.4
MÓDULO DE HARDWARE
3.4.1 FONTE DE ALIMENTAÇÃO
Para alimentar a placa de controle, os 18 motores e os 6 eletroímãs do robô
foi necessário o desenvolvimento de uma fonte sob medida, já que o consumo é
elevado demais e os valores de tensão necessários são específicos. Os testes
iniciais foram realizados com fontes de alimentação comerciais, disponíveis no
laboratório onde o projeto foi desenvolvido e quando era necessária mais corrente
eram usadas baterias seladas de 12V ou 6V. Após diversos testes e análises pôdese determinar os valores de tensão e corrente necessários para projetar e montar
uma fonte específica para o robô.
O primeiro passo foi pesquisar fabricantes de transformadores sob medida e
fazer a encomenda. Enquanto isso foram pesquisados componentes de potência
para fazer a retificação do sinal, capacitores de grande porte e dissipadores. Essa
etapa foi bem interessante já que durante o curso de eletrônica não ocorrem
oportunidades para se estudar sistemas de potência relativamente alta para
eletrônica, já que tudo fica em torno de miliampères ou microampères. Quando se
começa a falar em correntes mais elevadas, da ordem de dezenas de ampères abrese um novo ponto de conhecimento.
Apesar de terem sido adquiridos os motores mais fracos para testes e
estudos, a fonte já foi projetada desde o início para os motores mais fortes, prevendo
que durante o desenvolvimento seriam substituídos o que acarretaria numa
necessidade de alteração no transformador (que será chamado de trafo daqui a
diante), aumentando o custo e o tempo de desenvolvimento da fonte.
Os motores fortes têm um consumo máximo de 4,2A cada um. Considerando
que no máximo cinco patas estarão fazendo força máxima ao mesmo tempo e com
três motores em cada uma a o enrolamento que supre os motores foi dimensionado
para 60 ampères. É sabido que nunca haverá esse consumo, mas como há muita
perda de potência já que o cordão umbilical no caso de utilização na prática do robô
86
terá cerca de 200m de comprimento, é bom ter uma fonte superdimensionada para
evitar perdas por aquecimento. A tensão desse enrolamento é de 6,9+6,9V. Um
pouco abaixo do máximo para o servo motor mais forte, que é de 7,4V, mas assim
poderia ser usado esse trafo para o outro motor que suporta até esse valor.
O enrolamento para alimentação dos eletroímãs é de 24+24V com uma
corrente máxima de 6A. E o enrolamento que supre a placa de controle e placas
secundárias é de 12,8+12,8V por 2A. Esse valor é para que após a retificação haja
um valor superior a 14V para então ser regulado em 12V por um CI específico.
Um ponto bastante crítico encontrado durante essa etapa foram as perdas por
causa das cargas indutivas. No caso de motores com grande consumo e eletroímãs
sob os quais são aplicados picos de tensão muito rápidos, as distorções na forma de
onda são muito grandes no momento do acionamento. Para isso foram necessários
capacitores retificadores de valores muito elevados: um capacitor de 15.000µF/100V
para o enrolamento dos eletroímãs e outro de 180.000 µF/10V para a alimentação
dos motores.
No caso dos motores além desse capacitor na fonte foram necessários mais 2
capacitores de 47.000µF/10V ligados em paralelo fixos no próprio robô. Isso foi
necessário para compensar as perdas no cabo de alimentação.
Na FIGURA 69 e na FIGURA 70 pode ser vista como ficou a montagem da
fonte de alimentação.
FIGURA 69 - Foto da parte interna na fonte de alimentação
87
FIGURA 70 - Foto da fonte de alimentação com a tampa colocada
3.4.2 CONTROLE
Dadas as funcionalidades desejadas para o sistema, descritas no item 3.1,
pôde-se então especificar o sistema de controle necessário paraque estas
pudessem ser implementadas.
A principal característica do controlador é ter a capacidade de controlar os 18
servo motores. Esses motores necessitam de pulsos PWM (Pulse Width Modulation)
e o controle deve ser simultâneo para todos, permitindo manter a coerência do
movimento do robô.
Além disso, o sistema deve ter a capacidade de alterar o modo como o robô
se movimenta sempre que solicitado, ou seja, gerar tabelas que regem as posições
de cada motor dinamicamente, sendo para isso necessária uma grande capacidade
de processamento.
Também é preciso poder acionar os 6 eletroímãs, os quais operam com
aproximadamente 60Vcc.
O hardware ainda deve possuir uma interface de comunicação com o
microcomputador, para que possa receber as ordens de movimentação.
Foi contemplada também a capacidade de interfacear 6 sensores de força,
deste modo deve-se existir a possibilidade de ler informações de sensores
analógicos e depois processá-los. Esta parte do projeto não chegou a ser
88
implementada, mas faz parte dos planos futuros da equipe, sendo por isso levada
em consideração.
Levantadas essas características mínimas que o hardware deveria possuir
para a aplicação em questão, foram pesquisados e analisados diversos
microcontroladores que atendessem a essas especificações, além de outros
módulos periféricos para implementar outras funcionalidades. Essa pesquisa
resultou em alguns componentes que poderiam satisfazer as necessidades do
projeto. Analisando as opções de adquirir kits de desenvolvimento, que são de alto
custo, ou então desenvolver o próprio hardware, o que demandaria a confecção de
inúmeras placas de circuito impresso, as quais também possuem um custo elevado,
percebeu-se um problema. Em ambos os casos, seria gasto um tempo muito
elevado, seja esperando por importações ou pela confecção das placas, tempo este
que não podia ser desperdiçado.
Chegando nesse ponto crítico, o professor orientador foi consultado para
decidir juntamente com a equipe qual opção seria melhor para o iniciar o projeto. Ele
então sugeriu utilizar um kit de desenvolvimento com DSP, que já estava disponível
no laboratório onde o projeto foi desenvolvido, já que era baseado em um
microprocessador com as características desejadas..
O kit em questão é o TMS320C6711 DSP Starter Kit da Texas Instruments,
apresentado na FIGURA 71, o qual possui as seguintes características:
-
Um DSP TMS320C6711 rodando a 150 MHz, capaz de executar 900
milhões de operações em ponto flutuante por segundo (MFLOPS);
-
16 MB de memória SDRAM
-
128 KB de memória flash para programas
-
Conectores para interface com outras placas
-
Interface paralela para comunicar com o ambiente de desenvolvimento
Code
Composer
Studio
(fornecido
em
conjunto
com
o
kit),
possibilitando efetuar o debug dos programas diretamente no
hardware.
89
FIGURA 71 - TMS320C6711 DSK
O kit possui outras funcionalidades, mas estas não são relevantes para este
projeto.
A princípio, esta configuração de hardware parece superdimensionada, mas
considerando a economia de tempo obtida, bem como a possibilidade de se
adicionar posteriormente mais funcionalidades ao sistema, como os equipamentos
de inspeção sem necessitar um outro processador, tornam-no muito interessante
para este projeto.
Utilizando este kit de desenvolvimento, pôde-se implementar todos os
hardwares específicos para o sistema, como as interfaces com os motores,
eletroímãs, sensores e microcomputador.
Esse kit de desenvolvimento foi utilizado na fase inicial do projeto até que
fosse possível definir quais os recursos eram aproveitados e o que não estava sendo
aproveitado. Após esta fase inicial de testes, iniciou-se o projeto da “placa-mãe” do
sistema, a qual porta o DSP em si, bem como o hardware básico para o seu
funcionamento, e apresenta as interfaces para interligar-se com os outros módulos.
A seguir, será dada uma visão mais detalhada sobre todo o hardware
desenvolvido para este projeto.
3.4.2.1
MotherBoard para o DSP TMS320C6711D
Apesar desta placa ter sido a última projetada e confeccionada, será descrita
por primeiro, uma vez que é a base de todo o sistema de hardware.
90
Para desenvolvê-la, foi tomado como base o kit de desenvolvimento da Texas
Instruments, uma vez que este disponibilizava aos usuários toda a documentação da
placa, inclusive os esquemáticos. Isso facilitou muito no projeto, pois a partir dele
apenas foi necessário remover alguns itens que não eram úteis em geral, ou que
encareciam muito a placa, e adicionar algumas funcionalidades extras.
Considerando que a complexidade, o tempo gasto e o custo para desenvolver
uma placa com essa finalidade não são pequenos, aproveitou-se o esforço para se
criar uma placa genérica que pudesse ser utilizada em outros projetos do laboratório,
deste modo, para este projeto o hardware projetado pode parecer exagerado, mas
pode ser usado por muitos outros tipos de aplicações, como o projeto de sistemas
que trabalham com o processamento de sinais de ultra-som, muito comum no
laboratório onde a placa foi desenvolvida, além de ser um dos métodos de inspeção
que podem ser implementado futuramente no projeto.
As características da placa são:
o Tensões de alimentação:
1.4 V
para o núcleo do DSP;
3.3 V
para as portas de I/O (input e output) do DSP e para os outros
circuitos integrados na placa, disponível também nos conectores de
interface com outras placas;
5 V
para os reguladores de tensão e disponível também nos
conectores de interface com outras placas.
DSP: TMS320C6711D, com capacidade de rodar a 250 MHz e
executar até 1500 MFLOPS;
64 MB de memória SDRAM podendo rodar com clock de até 100 MHz,
fornecido pelo DSP;
1 MB de memória FLASH, utilizada para gravação do firmware do
sistema que é carregado durante a inicialização. Esta memória pode
ser gravada através da interface serial (COM) de qualquer computador,
permitindo atualizações de software ou até alterar a função do sistema
como um todo com facilidade;
Microcontrolador MSP430F133, utilizado para gravar o firmware na
memória FLASH através da interface serial;
91
Interface JTAG para debug prévio dos programas, útil na fase de
desenvolvimento;
Interface JTAG para gravar o firmware no microcontrolador MSP;
Conectores devidamente bufferizados para comunicação com “placasfilhas” (DaughterBoards) utilizando o mesmo padrão do kit de
desenvolvimento da Texas Instruments, possibilitando a reutilização de
placas previamente desenvolvidas.
A FIGURA 72 apresenta um diagrama em blocos referente à placa.
Endereços
Dados
Controle
ECLKOUT
SDRAM
64MB
Clock
25 MHz
Endereços
Dados
Processador
Entrada
5V
Regulador
1.4V
Regulador
3.3V
MUX/
DEMUX
TMS320C
6711D
Controle
FLASH
1MB
Interface
RS-232
Texas
Instruments
Endereços
Dados
Controle
Microcontrolador
MSP430F133
Supervisor
De Tensão
Transceivers
Conectores
De Expansão
Outros
Periféricos
FIGURA 72 - Diagrama em blocos da MotherBoard
Algumas características do desenvolvimento desta placa valem a pena serem
destacados.
Para gerar as tensões de alimentação foram utilizados módulos PTH04070 da
Texas Instruments, pois, além de simplificarem muito o projeto, são garantidos pelo
fabricante de fornecerem uma alimentação adequada ao DSP.
Para fornecer o clock do DSP foi utilizado um oscilador a cristal, também
recomendado pelo fabricante por apresentar as características ideais, de 25 MHz,
sendo então multiplicado pela PLL interna do DSP e distribuído para os outros
periféricos como a memória RAM externa e as DaughterBoards que venham a ser
utilizadas.
92
A placa foi roteada utilizando-se 6 camadas, o que possibilitou uma maior
densidade de componentes na mesma, tornando-a bem compacta. Primeiramente
cogitou-se utilizar 8 camadas para o roteamento, mas optou-se por 6 camadas
principalmente devido ao custo reduzido, bem como o menor prazo de entrega
oferecido pelo fabricante.
Após cada roteamento foram feitas diversas simulações para se verificar a
integridade dos sinais mais importantes da placa, como aqueles que são utilizados
para acessar a memória RAM externa, por serem os sinais de mais alta velocidade
do circuito (chegando a 100 MHz), podendo impedir o correto funcionamento deste.
Outra consideração importante é o fato do encapsulamento do DSP ser um
BGA (Ball Grid Array) de 272 pinos, o que o torna impossível de ser soldado
manualmente, de modo que foi necessário enviar a placa para ser montada por uma
empresa especializada.
Na FIGURA 73 e na FIGURA 74 pode-se observar imagens da MotherBoard
já montada.
FIGURA 73 - MotherBoard DSP lado superior
93
FIGURA 74 - MotherBoard DSP lado inferior
3.4.2.2
DaughterBoard
Este módulo foi o primeiro a ter seu desenvolvimento iniciado, uma vez que
ele era necessário para que se pudesse interfacear o kit de desenvolvimento com os
motores. Só então seria possível iniciar os testes com o controle do robô
propriamente dito.
As principais características desta placa são:
o Interface para os 18 motores;
o Interface para o módulo que aciona os 6 eletroímãs;
o Entrada paras os 6 sensores de força;
o Interface serial para comunicação com o microcomputador;
o Entrada para alimentação dos motores, dos eletroímãs e do resto dos
circuitos, inclusive a alimentação da MotherBoard (5 V).
Segue abaixo, na FIGURA 75, o diagrama em blocos da placa.
94
Endereços
Dados
Conectores
De Expansão
Controle
UART_SEL
TX
UART
RX
Interface
RS-422
Endereços
Endereços
Decodificador
De Endereços
Controle
SENSOR_SEL
Dados
PWM_SEL
Conversor
A/D
Buffer
Dados
Latch/
Isolação
Servomotores
Dados
Latch/
Isolação
Saída
Eletroímãs
Dados
Latch
Leds
ÍMÃS_SEL
Sensores
LEDS_SEL
FIGURA 75 - Diagrama em blocos da DaughterBoard
O processador utilizado, o TMS320C6711D, não possui muitas saídas de I/O
para uso geral, por ser dedicado mais especificamente para a área de
processamento de sinais, e não para controle de movimento, deste modo foi
necessário utilizar-se uma da interfaces de memória externa (External Memory
Interface – EMIF) que ele possui. Assim, foi utilizado mapeamento de I/O em
memória para se acessar os diversos periféricos incluídos na DaughterBoard.
Para que se pudesse “travar” os sinais dos PWM’s que controlam os
servomotores e os sinais que controlam o acionamento dos eletroímãs foram
utilizados circuitos integrados Latch (SN74AHCT573) e nas saídas destes forma
colocados isoladores para evitar que possíveis ruídos e flutuações de tensão
indesejados viessem e influir no funcionamento do resto do sistema, inclusive o
DSP.
95
Como o DSP utilizado também não possui uma interface UART, foi
necessário adicionar na DaughterBoard um circuito integrado TL16C550, que
constitui uma UART programável com FIFO de 16 Bytes e capaz de gerar
interrupções a partir de diversos eventos. Para tratar as interrupções geradas pela
UART foi utilizado um dos pinos do DSP capaz de gerar interrupções a partir de
eventos externos.
A interface de comunicação serial da placa utiliza o padrão RS-422, uma vez
que um dos objetivos do projeto é que o robô se movimente em cascos de navios,
necessitando de longos cabos de comunicação, e este padrão prevê a possibilidade
de cabos com mais de 1 Km de comprimento mesmo com uma taxa de transmissão
de 115200 Kbps, a qual foi adotada pelo projeto. Para gerar os sinais com este
padrão, foi utilizado um CI Driver/Receiver SN65C1168 da Texas Instruments.
Devido à necessidade de se adquirir os sinais dos sensores de força, a
Daughter Board possui circuitos de aquisição com amplificadores operacionais
OPA4130 e um conversor Analógico/Digital de 12 Bits e 8 canais ADS7852, ambos
da Texas Instruments. A placa também possui reguladores de tensão de +5, +9, -5 e
–9 V, para alimentar os circuitos de aquisição.
Finalmente, neste módulo existem também conectores para a placa de
acionamento dos eletroímãs, além de 8 leds que foram muito utilizados para testes e
verificações durante a fase inicial do projeto.
O conector utilizado para a entrada da alimentação foi cuidadosamente
escolhido, uma vez que a alimentação para os servomotores previa uma corrente de
até 60 A, assim o conector também deveria possuir esta capacidade. As trilhas que
alimentam os motores também foram cuidadosamente projetadas, sendo muito mais
largas do que o normal, e possuindo uma camada de cobre mais espessa que as
placas comuns. Além disso, a área da placa na qual poderia ocorrer um
sobreaquecimento, devido a alta corrente, foi deixada deslocada para que não se
situasse acima da MotherBoard, impedindo assim qualquer tipo de influência
indesejada.
Todos
os
circuitos
integrados
utilizados
foram
escolhidos
com
encapsulamentos SMD, para que juntamente com uma placa desenvolvida com 4
camadas, se pudesse aumentar a densidade de componentes nesta, diminuindo o
seu tamanho, fato desejado em circuitos que ficam embarcados.
96
A FIGURA 76 e a FIGURA 77 mostram duas fotos da versão final da
Daughter Board.
FIGURA 76 - DaughterBoard lado superior
FIGURA 77 - DaughterBoard lado inferior
3.4.2.3
Placa de Acionamento dos Eletroímãs
Este módulo foi desenvolvido separadamente tanto para evitar um aumento
exagerado da placa DaughterBoard, quanto para evitar problemas que pudessem
ser causados pela tensão de alimentação dos eletroímãs, que é de cerca de 60 V.
97
Esta placa possui 6 circuitos de acionamento para as patas eletromagnéticas
criadas, compostos por MOSFET’s. Ela recebe os sinais de controle provenientes da
DaughterBoard através de 2 conectores que também servem de base de
sustentação, além da alimentação destinada aos eletroímãs.
O diagrama em blocos deste módulo está representado na FIGURA 78.
Entrada
Eletroímãs
Drivers/
MOSFET’s
Eletroímãs
FIGURA 78 - Diagrama em blocos da placa de acionamento dos eletroímãs
As trilhas deste circuito foram deixadas expostas, como pode-se observar na
FIGURA 80, para o caso de ser necessário aumentar a capacidade de corrente das
mesmas, através de uma técnica comum, caracterizada pela adição de estanho às
trilhas.
Finalmente, este módulo possui 6 conectores de saída para os eletroímãs das
patas eletromagnéticas, visíveis na FIGURA 79.
FIGURA 79 - Placa de acionamento lado superior
98
FIGURA 80 - Placa de acionamento lado inferior
3.4.2.4
Módulo Conversor RS-232/RS-422
Essa foi a segunda placa desenvolvida pela equipe. Como havia a
necessidade de se fazer a comunicação entre o robô e o computador, um cabo de
dados teria que fazer essa conexão. O kit de DSP utilizado para é configurado
através de uma interface paralela, interface essa que não permite comunicações
com cabos longos, o que impediria que fosse usado o sistema de cordão umbilical.
Uma outra idéia seria utilizar a interface serial do computador, com o padrão RS232.
A interface RS-232 tem como principal atrativo a sua implementação simples
e barata, estando disponível na maioria dos computadores novos e antigos. Mas a
interface RS-232 apresenta uma grande desvantagem neste projeto. O fato da
mesma operar por níveis de tensão, sendo extremamente suscetível a ruídos,
inviabilizaria a comunicação de maneira confiável em distâncias superiores a 10 ou
15 metros. Como um navio tem cerca de 200 a 300 metros de comprimento, o uso
dessa interface seria impraticável. Para contornar este problema optou-se por utilizar
o padrão RS-422.
A interface RS-422 é uma evolução do padrão RS-232 e tem como principal
novidade a implementação da transmissão em modo diferencial, o que torna a
comunicação muito menos suscetível a ruídos, permitindo o envio de informações a
distâncias acima de 1000 metros de maneira confiável. Também não é possível a
99
utilização de um único par de fios para operar como "barramento" ou seja, os dados
são transmitidos por uma linha e recebidos por outra.
O principal uso do padrão RS-422 é estender a comunicação RS-232 a
grandes distâncias, de maneira transparente ao usuário sem a necessidade de
alterar programas e protocolos.
Para que se pudesse utilizar este padrão de transmissão de dados,
necessitava-se converter o padrão RS-232 da porta COM do computador para o
novo padrão, e para isso foi desenvolvida uma nova placa.
Este módulo do sistema é composto de apenas dois circuitos integrados, um
MAX232, responsável por receber e enviar os dados no padrão RS-232, e um
SN65C1168, responsável pela parte RS-422, ambos da Texas Instruments. Seu
diagrama em blocos pode ser visualizado na FIGURA 81.
Interface
RS-232
TX
RX
Driver/
Receiver
RS-232
SOUT/SIN
SIN/SOUT
Driver/
Receiver
RS-422
TX
RX
Interface
RS-422
FIGURA 81 - Diagrama em blocos do conversor RS-232/RS-422
Uma grande vantagem deste circuito é a ausência de uma fonte de
alimentação externa, uma vez que o esquema projetado permite que a alimentação
seja proveniente da porta COM do PC.
A FIGURA 82 apresenta várias imagens do módulo conversor.
100
FIGURA 82 - Conversor RS-232/RS-422
101
3.5
MÓDULO DE SOFTWARE
3.5.1 PROJETO DO SOFTWARE SIMULADOR/CONTROLADOR(IHM)
Para a descrição do projeto do software simulador/controlador também foi
utilizada a linguagem UML. Foi escolhida a programação orientada a objetos para a
modelagem, pelo fato, principalmente, de ela permitir a criação de bibliotecas que
tornam efetivos o compartilhamento e a reutilização de código, reduzindo o tempo de
desenvolvimento e simplificando o processo de manutenção da aplicação. Esta
vantagem foi primordial na geração destes módulos e do software embarcado.
Foram gerados os diagramas estruturais do sistema (casos de uso, classe)
e dinâmico (seqüência). A seguir serão apresentados estes diagramas.
3.5.1.1
Diagrama de Casos de Uso
Na FIGURA 15 pôde-se visualizar o diagrama de casos de uso geral. O
projeto do software foi todo baseado no levantamento das funcionalidades deste
diagrama Os dois módulos do sistema (Simulador e Controlador) possuem muitas
funcionalidades em comum, porém há uma diferença essencial entre eles, o ator
“Robô”. Para ficar bem clara esta distinção, será apresentado a seguir o diagrama
de caso de uso de cada um dos módulos.
102
3.5.1.1.1 Simulador
<<all extend>>
Configurar Ordem
Verificar Espaço de Trabalho
<<include>>
<<incl ude>>
<<all extend>>
Normal
<<incl ude>>
Interpretar Ordem
Ripple
Calcular Trajeto Patas
Crab
Rotação
operador
Tripod
Paramet ri zar Robô
Wave
Climb
Neutro
(from Atores)
Simular Movimentação
<<include>>
Calcular Trajetória Robô
<<i nclude>>
S.O.
(from Atores)
Visualizar Simulação
FIGURA 83 - Diagrama de casos de uso – Simulador
o Descrição dos Casos e Atores
Atores
Pode-se observar no diagrama a presença de dois atores principais.
Operador: Nada mais é do que o próprio operador do sistema,
aquele que se encontra ao computador simulando. É este ator que
ativa os casos de usos do sistema;
S.O.: É o ator Sistema Operacional. É um ator importante ao caso
de uso simular, pois é ele que sincroniza o movimento do robô
através do timer.
103
Casos de Usos
No diagrama observa-se a presença de três casos de usos
principais:
Interpretar Ordem - Caso de uso que atua na configuração da
ordem, na verificação dos parâmetros se estão de acordo com o
espaço de trabalho do robô e no cálculo do movimento que cada
pata deve realizar para atender a ordem especificada;
Parametrizar
Robô
–
Caso
de
uso
que
atua
na
parametrização(dados estruturais) do robô;
SimularMovimentação: Caso de uso que atua na simulação do
movimento e da trajetória do robô, a partir de um comando que o
operador realiza.
<<all extend>>
Configurar Ordem
Verificar Espaço de Trabalho
<<include>>
<<include>>
<<all extend>>
Normal
Tripod
Ripple
<<extend>>
Interpretar Ordem
Calcular Trajeto Patas
Crab
Rotação
Comandar Robô
operador
robô
(from Atores)
( from Atores)
Neutro
Comunicar Serial
Simular Movimentação
<<i nclude>>
Calcular Trajetória Robô
<<include>>
S.O.
(from Atores)
Visualizar Simulação
FIGURA 84 - Diagrama de casos de uso – Controlador
Wave
Climb
104
3.5.1.1.2 Controlador
o Descrição dos Casos e Atores
Atores
Pode-se observar no diagrama a presença de três atores principais.
Operador: Nada mais é do que o próprio operador do sistema,
aquele que se encontra ao computador simulando. É este ator que
ativa os casos de usos do sistema;
Robô: Como o próprio nome já diz é o robô hexápode. No serviço
“Controlar Robô” é o ator a ser controlado. Nele encontra-se a placa
de controle com o microprocessador e seu software embarcado.
S.O.: É o ator Sistema Operacional. É um ator importante ao caso
de uso simular, pois é ele que sincroniza o movimento do robô
através do timer.
Casos de Usos
No diagrama observa-se a presença de quatro casos de usos
principais:
Interpretar Ordem - Caso de uso que atua na configuração da
ordem, na verificação dos parâmetros se estão de acordo com o
espaço de trabalho do robô e no cálculo do movimento que cada
pata deve realizar para atender a ordem especificada;
Simular Movimentação: Caso de uso que atua na simulação do
movimento e da trajetória do robô, a partir de um comando que o
operador realiza.
Comandar Robô: Caso de uso responsável por receber os
comandos do operador e enviar ao robô.
Comunicar Serial: Caso de uso responsável pela comunicação do
software com o robô, via serial. Abrange a conexão, desconexão e
a verificação da conexão, que é realizada periodicamente.
105
3.5.1.2
Diagrama de Classes
Com as classes levantadas no item 3.1.2 e com o acréscimo de outras
classes entidades, agregadas e herdadas, foi possível gerar os diagramas de
classes do software, apresentando assim os seus aspectos lógicos.
o Menu Principal
<<controle>>
CCt rlGeral
comanda
(from Controles)
CIntOperador
(from Interfaces)
comanda
mostrarJanela()
atualizarJanela()
mostrarOpenGL()
mostrarTrajetória()
mostrarDistâncias()
comanda
<<controle>>
CCtrlSimularRobo
<<controle>>
CCtrlControlarRobo
(f rom Con trol es)
(f rom Co ntrol es)
Ativar()
At ivar()
FIGURA 85 - Diagrama de classes: Menu Principal
o Controlar Robô
<<controle>>
CCtrlControlarRobo
(f rom Controles)
Ativar()
comanda
<<c ontrole>>
CCtrlSim ularMovim entação
(f rom Controles)
comanda
comanda
comanda
<<controle>>
<<c ontrole>>
CCtrlInterpretarOrdem
CCtrlCom andarRobô
<<controle>>
CCtrlComunicarSerial
(f rom Controles)
(f rom Co ntro les )
(f rom Controles)
ordem : CO rdem
Ativar()
IrProxPonto()
Ativar()
A tivar()
interpret adorDeOrdem()
restringirPosSu perficie()
restringirPosModo()
FIGURA 86 - Diagrama de classes: Controlar Robô
Ativar()
verificarConexão()
106
o Simular Robô
<<controle> >
CCtrlSimularRobo
(from Controles)
Ativar()
comanda
c omanda
<<controle>>
CCt rl Paramet ri zarRobo
( from Controles)
comanda
<<controle> >
CCtrlInterpretarOrdem
<<controle>>
CCtrlSimularMovimentação
(from Controles)
(from Controles)
ordem : COrdem
Ativar()
Ativar()
interpretadorDeOrdem()
restringirPosSuperficie()
restringirPosModo()
At ivar()
I rProxPonto()
FIGURA 87 - Diagrama de classes: Simular Robô
o Interpretar Ordem
<<controle>>
CCtrlInterpretarOrdem
(from Controles)
ordem : COrdem
Ativar()
interpretadorDeOrdem()
restringirPosSuperficie()
restringirPosModo()
comanda
comanda
<<controle>>
CCtrlConfigurarOrdem
<<controle>>
CCtrlVerificarEspaçoDeTrabalho
(from Controles)
(from Controles)
Ativar()
restringePosSuperficie()()
restringePosModo()
Ativar()
comand a
<<controle >>
CCtrlCalcularTrajetoPatas
( from C ontroles)
ord em : COrdem
mo do * : Modo
ma rcha * : CMa rcha
t raj eto : CTraje toPa tas
rob o * : CRobo
mo ntarTra jet o()
FIGURA 88 - Diagrama de classes: Interpretar Ordem
107
o Configurar Ordem
<<control e>>
CCt rl Conf igurarO rdem
<<entidade>>
COrdem
(from Contr ol es)
<<typedef enum>>
TM archa
(from Entidades)
superf ici e : TS uperf ici e
m odo : TModo
m archa : TMarcha
al turaDoRobo : fl oat
aberturaDoRobo : fl oat
el evaçãoDaPata : float
passoDaTracao : float
angul oCrab : float
pep : fl oat
pea : fl oat
Ativar()
restringePosSuperficie()()
restringePosModo()
cria
registra
CIntOperador
(from Interfaces)
mostrarJanela()
atuali zarJanela()
mostrarOpenGL()
mostrarTrajetória()
m ostrarDi st âncias()
Ordem()
setAtribut os()
setSuperf icie()
get Superfici e()
setM odo()
get Modo()
setM archa()
get March a()
setAbertu ra()
get Abertura()
setPassoDaTracao()
get PassoDaT racao()
get Alt uraDeRetorno()
setAlturaDeRetorno()
get Pep()
setPE P()
get Pea()
setPE A()
t est arEspaçoDeT rabal ho()
WAVE
RIPPLE
TRIPOD
CLIMB
1
1
1
<<typedef enum>>
TModo
NO RMAL
CRA B
1
RO TACAO
1
FIGURA 89 - Diagrama de classes: Configurar Ordem
1
<<typedef enum>>
TSuperficie
FERROMAGNETICA
NORMAL
108
o Verificar Espaço de Trabalho
co man da
<<controle>>
CCtrlVerificarEspaçoDeTrabalho
(f rom Controles)
CIntOperador
Ativar()
(f rom Interf aces)
mostrarJan el a()
atualizarJanela()
mostrarOpenGL()
mostrarTrajetória()
mo strarDistâncias ()
acessa
<<entidade>>
CRobo
(f rom Entidades)
larg ura : floa t
comprimento : floa t
esp essu ra : float
ptoOrig emCo rpo : CCoo rden adas
* p erna [6] : CPerna
ptoEnd[6 ] : CC oordenadas
ve torDel ta[6] : CCo orde nada s
Robo()
Robo()
criaPern as()
atualizarRobo()
setaIndiceTrajeto()
incrementaIndiceTrajeto ()
cinematicaInversa()
cinematicaDireta()
des enha rRobô()
acessa
<<entida de>>
COrdem
(f rom Entidades)
superficie : TSuperficie
modo : TModo
marcha : TMarcha
alturaDoRobo : float
aberturaDoRobo : float
elevaçãoDaPata : float
passoDaTracao : float
anguloCrab : float
pep : float
pea : float
Ordem()
setAtributos()
setSuperficie()
getSuperficie()
setModo()
getModo()
setMarcha()
getMarcha()
setAbertura()
getAbertura()
setPassoDaTracao()
getPassoDaTracao()
getAlturaDeRetorno()
setAlturaDeRetorno()
getPep()
setPEP()
getPea()
setPEA()
testarEspaçoDeTrabalho()
FIGURA 90 - Diagrama de classes: Verificar Espaço de Trabalho
109
o Calcular Trajeto das Patas
<<entidade>>
Tripod
<<entidade>>
COrdem
superficie : TSuperficie
modo : TModo
marcha : TMarcha
alturaDoRobo : float
aberturaDoRobo : float
elevaçãoDaPata : float
passoDaTracao : float
anguloCrab : float
pep : float
pea : float
<<construtora>> Marcha()
<<destrutora>> ~Marcha()
parametrizarTrajeto()
parametrizarApoio()
parametrizarRetorno()
<<virtual>> calcularNumeroDeSegmentosDeRetorno()
gets
comanda
1
1
<<typedef enum>>
TModo
NORMAL
CRAB
ROTACAO
WAVE
RIPPLE
TRIPOD
CLIMB
<<construtora>> Ripple()
<<destrutora>> ~Ripple()
ordem * : COrdem
trajeto * : CTrajetoPatas
gets
1
1
<<typedef enum>>
TMarcha
<<entidade>>
CRipple
<<construtora>> Wave()
<<destrutora>> ~Wave()
<<entidade>>
CM archa
Ordem()
setAtributos()
setSuperficie()
getSuperficie()
setModo()
getModo()
setMarcha()
getMarcha()
setAbertura()
getAbertura()
setPassoDaTracao()
getPassoDaTracao()
getAlturaDeRetorno()
setAlturaDeRetorno()
getPep()
setPEP()
getPea()
setPEA()
testarEspaçoDeTrabalho()
1
<<entidade>>
Wave
<<construtora>> Tripod()
<<destrutora>> ~Tripod()
gets
<<controle>>
CCtrlCalcularTrajetoPatas
ordem : COrdem
modo * : Modo
marcha * : CMarcha
trajeto : CTrajetoPatas
robo * : CRobo
parametriza
montarTrajeto()
<<entidade>>
CTrajetoPatas
comanda
base : float
altura : float
passoDaBas e : float
ultimoPassoDaBase : float
numeroD eSegmentosD aBase : i nt
passoDaLater al : float
numeroD eSegmentosD aLater al : int
passoDaBas eSuperior : float
numeroD eSegmentosD aBaseSuperi or : i nt
*pontos : CPontoDoTraj etoPatas
1
<<typedef enum>>
TSuperficie
FERROMAGNETICA
NORMAL
<<enti dade>>
Modo
ordem * : COrdem
robo * : CRobo
trajeto * : CTrajetoPatas
indiceGlobal : float
<<construtora>> Modo()
<<destrutora>> ~Modo()
<<virtual>> preencherPontos()
<<virtual>> determinarPontoZero()
<<virtual>> preencherPontosDaBase()
<<virtual>> preencherPontosDaLateral1()
<<virtual>> preencherPontosDaLateral2()
<<virtual>> preencherPontosDaBaseSuperior()
cinematicaInversa()
<<entidade>>
Crab
<<construtora>> Crab()
<<destrutora>> ~Crab()
<<enti dade>>
Rotacionar
<<construtora>> Rotacionar()
<<destrutora>> ~Rotacionar()
<<entidade>>
Normal
preenche
<<construtora>> Traj eto()
<<destrutora>> ~Traj eto()
setBase()
getBas e()
setPassoDaBase( )
getPas soDaBase( )
setPassoResi dual DaBase()
getPas soResidualDaBase()
setNumer oDeSegmentosDaBase()
getN umeroDeSegmentos DaBase()
setPassoDaLateral()
getPas soDaLateral ()
setNumer oDeSegmentosDaLateral ()
getN umeroDeSegmentos DaLater al()
setPassoDaBaseSuperi or( )
getPas soDaBaseSuperior()
setNumer oDeSegmentosDaBaseSuper ior()
getN umeroDeSegmentos DaBaseSuper ior ()
constroi PontosDeTraj eto()
1
<<construtora>> Normal()
<<destrutora>> ~Normal()
n
<<entidade>>
CPontoDoTrajetoPatas
ti poDeAresta : TAresta
coordenadas : C Coordenadas
angulos : CAngulos
<<construtora>> PontoDeTraj eto()
<<destrutora>> ~PontosDeTraj eto()
setCoordenadas()
setAngulos()
getC oor denadas()
getAngulos( )
setTipoD eAr esta()
1
<<entidade>>
CCoordenadas
x : float
y : float
z : float
_
setCoordenadas()
getCoordenadas()
setX()
getX()
setY()
getY()
setZ()
getZ()
1
1
1
<<enti dade>>
CAngulos
teta1 : float
teta2 : float
teta3 : float
1
1
<<typedef enum>>
TAresta
BASE_INFERIOR
BASE_SUPERIOR
LATERAL_1
LATERAL_2
setAngulos()
getAngulos()
setTeta1()
getTeta1()
setTeta2()
getTeta2()
setTeta3()
getTeta3()
FIGURA 91 - Diagrama de classes: Calcular Trajeto das Patas
<<entidade>>
Climb
<<construtora>> Cli mb()()
<<destrutora>> ~Climb()( )
110
o Parametrizar Robô
<<controle>>
CCtrlParametrizarRobo
(from Controles)
Ativar()
<<entidade>>
CRobo
cria
(from Entidades)
l argura : f loat
comprimento : float
espessura : f loat
pt oOrigemCorpo : CCoordenadas
* perna [ 6] : CPerna
pt oEnd[6] : CCoordenadas
vetorDel ta[ 6] : CCoordenadas
registra
Robo()
Robo()
criaPernas()
at uali zarRobo()
setaI ndiceTrajet o()
i ncrementaIndiceTrajeto()
cinematicaInversa()
cinematicaDireta()
desenharRobô()
CIntOperador
(from I nt er faces )
mostrarJanela()
atualizarJanela()
mostrarOpenGL()
mostrarTrajetória()
m ost rarDist âncias()
<<entidade>>
CPerna
(from Entidades)
* pto[3] : CCoordenadas
posicaoECorpo : CCoordenadas
dm : CDimensaoMembros
angulos : Angulo
Perna()
Perna()
criapontosDaPerna()
setarAngulo()
calculaCinematicaDireta()
desenhaPerna()
atualizarPerna()
<<entidade>>
CDi mensaoM embros
(from Entidades)
a1 : float
a2 : float
a3 : float
DimensaoMembros()
atualizarMembros()
<<entidade>>
CAngulos
(from Entidades)
<<entidade>>
CCoordenadas
(from Entidades)
teta1 : float
teta2 : float
teta3 : float
x : float
y : float
z : float
setAngulos()
getAngulos()
setTeta1()
getTeta1()
setTeta2()
getTeta2()
setTeta3()
getTeta3()
setCoordenadas()
getCoordenadas()
setX()
getX()
setY()
getY()
setZ()
getZ()
FIGURA 92 - Diagrama de classes: Parametrizar Robô
111
o Simular Movimentação
timer do p ass o
CIntSO
comanda
(from Controles)
CI ntO per ado r
Ativ ar ()
IrP rox Po nto()
(from Interfaces)
comanda
<<controle>>
CCtrl SimularMov imentaçã o
co ma nda
(fr om Interfac es)
acessa
atualiza
<<controle>>
CCtrlVisualizarS imulaç ão
(fr om C ontroles)
Ativ ar()
mostrarJanela()
atualizarJanela()
mostrarOpenGL()
mostrarTrajetória()
mostrarDistâncias()
<<controle>>
CCtrlCalcularTrajetóriaRobô
<<ent idad e>>
CTraje toP at as
<<entidade>>
CRobo
(from Controles)
(from Entidades)
(from Entidades)
Ativ ar()
calcular Nov oPonto()
base : f loat
altura : f loat
passoDaBase : f loat
ultimoPassoDaBase : f loat
numeroDeSegmentosDaBase : int
passoDaLateral : f loat
numeroDeSegmentosDaLateral : int
passoDaBaseSuperior : f loat
numeroDeSegmentosDaBaseSuperior : int
*pontos : CPontoDoTrajetoPatas
<<construtora>> Trajeto()
<<destrutora>> ~Trajeto()
setBase()
getBase()
setPassoDaBase()
getPassoDaBase()
setPassoResidualDaBase()
getPassoResidualDaBase()
setNumeroDeSegmentosDaBase()
getNumeroDeSegmentosDaBase()
setPassoDaLateral()
getPassoDaLateral()
setNumeroDeSegmentosDaLateral()
getNumeroDeSegmentosDaLateral()
setPassoDaBaseSuperior()
getPassoDaBaseSuperior()
setNumeroDeSegmentosDaBaseSuperior()
getNumeroDeSegmentosDaBaseSuperior()
constroiPontosDeTrajeto()
largura : f loat
comprimento : f loat
espessura : f loat
ptoOrigemCorpo : CCoordenadas
* perna [6] : CPerna
ptoEnd[6] : CCoordenadas
v etorDelta[6] : CCoordenadas
Robo()
Robo()
criaPernas()
atualizarRobo()
setaIndiceTrajeto()
incrementaIndiceTrajeto()
cinematicaInv ersa()
cinematicaDireta()
desenharRobô()
FIGURA 93 - Diagrama de classes: Simular Movimentação
112
o Calcular Trajetória do Robô
<< contr ol e> >
CCtrlCalcularTraj etóriaRobô
(from Contro...
Ativar()
calcularNovoPonto()
<<entidade>>
CRegiãoDaTrajetória
(from Entida ..
Sentido : TSENTIDO
Reta : CEquaçãoDeReta
cria
<<entidade>>
CTraj etoriaRobô
1
(from Entida...
angulo : float
distanciaPerc : float
distanciaOrigem : float
distX : float
distY : float
name
listaPonto : CListaPonto
vetorPosição : CPontos
regiãoDaTrajetória : CRegiãoDaTrajetória
<<construtora>> CTrajetoriaRobô()
<<destrutora>> ~CTrajetoriaRobô()
desenharTrajetoria()
apagaTrajetoria()
calcAng()
criaRegiaoDaTrajetoria()
ajustaRegiaoDaTrajetoria()
verificaRegiaoLimite()
deslocarHorizontal()
deslocarVertical()
calcDistancias()
limpar()
<<construtora>> CRegiãoDaTrajetória()
<<destrutora>> ~CRegiãoDaTrajetória()
calculaCoefReta()
verificaOrientação()
verificaSentido()
retorno()
<<entidade>>
CListaPonto
1
(from Entida...
*inicio : CPonto
1
1
<<construtora>> CListaPonto()
<<destrutora>> ~CListaPonto()
inserirPonto(CPonto *)()
excluirPonto(CPoint *)()
qtdPontos()
reset()
otimizador()
retornaUltimoPonto()
1
n
<<entidade>>
CPonto
(from Entida...
x : float
y : float
*prox : CPonto
<<construtora>> CPonto()
<<destrutora>> ~CPonto()
FIGURA 94 - Diagrama de classes: Calcular Trajetória do Robô
113
o Visualizar Simulação
<<controle>>
CCtrlVisualizarSimulação
comanda
(from Controles)
CIntOperado
r
Ativ ar()
(from Interfac...)
mostrarJanela()
at ualiza rJa nela ()
mostrarOpenGL()
mostrarTrajetória()
mostrarDistâncias()
acessa
ac ess a
<<entidade>>
CRobo
<<entidade>>
CTrajetoriaRobô
(from Entidades)
angulo : f loat
distanciaPerc : f loat
distanciaOrigem : f loat
distX : f loat
distY : f loat
name
listaPonto : CListaPonto
v etorPosição : CPontos
regiãoDaTrajetória : CRegiãoDaTrajetória
<<construtora>> CTrajetoriaRobô()
<<destrutora>> ~CTrajetoriaRobô()
desenharTrajetoria()
apagaTrajetoria()
calcAng()
criaRegiaoDaTrajetoria()
ajustaRegiaoDaTrajetoria()
v erif icaRegiaoLimite()
deslocarHorizontal()
deslocarVertical()
calcDistancias()
limpar()
(fr om Entidades )
largura : f loat
comprimento : f loat
espessura : f loat
ptoOrigemCorpo : CCoordenadas
* perna [6] : CPerna
ptoEnd[6] : CCoordenadas
v etorDelta[6] : CCoordenadas
Robo()
Robo()
criaPernas()
atualizarRobo()
setaIndiceTrajeto()
incrementaIndiceTrajeto()
cinematicaInv ersa()
cinematicaDireta()
desenharRobô()
FIGURA 95 - Diagrama de classes: Visualizar Simulação
o Comandar Robô
comanda
<<controle>>
CCtrlComandarRobô
c oma nd a
(from Controles)
CIntOperado
r
Ativar()
CIntRobô
(from Interfaces)
(from Interfaces)
mostrarJa ne la()
atualizarJanela()
mo strarOp en GL()
mostrarTrajetória()
mostrarDistâncias()
FIGURA 96 - Diagrama de classes: Comandar Robô
114
o Comunicar Serial
<<controle>>
CCtrlComunicarSerial
comanda
(f rom Controles)
timer da verificação
Ativar()
verificarConexão()
CIntSerial
(f rom Interf aces)
Timer
(f rom Interf a...)
recebe : byte
recebendo : boolean
tamanho : byte
conectar()
desconectar()
verificarConexão()
RxChar()
RxFlag()
write()
read()
comanda
CIntOperador
(f rom Interf aces)
mo stra rJa nel a()
atualizarJanela()
mostrarOpenGL()
mostrarTrajetória()
mo stra rD istân cias ()
FIGURA 97 - Diagrama de classes: Comunicar Serial
3.5.1.3
Diagramas de Seqüência
Neste tópico serão apresentados os diagramas de seqüência, buscando
apresentar o comportamento dinâmico (ao longo do tempo) do sistema. Alguns
diagramas foram omitidos, sendo mostrados apenas os diagramas de maior
interesse e complexidade.
115
o Configurar Ordem
: operador
: CIntOperador
: CCtrlConfigurarOrdem
: COrdem
mostrarJanela()
Janela
Superfície
setSuperfície()
rest ringePosSuperficie()
getSuperficie ()
Janela
atualizaJanela()
Modo
restringePosModo()
Janela
getModo ()
atualiz aJanela()
Marcha
getMarc ha ()
alturaDoRobo, abertura,
discretizacaoDaTracao,
anguloCrab
setAt ributos()
mostraFimOrdem()
FimOrdem
FIGURA 98 - Diagrama de seqüência: Configurar Ordem
116
o Parametrizar Robô
: operador
: CIntOperador
:
CCtrlParametrizarRobo
: CRobo
: CPerna
: CDimensaoMembros
: CAngulos
: CPontos
robo:=criar():void
perna:=criar():void
dimensao:=criar():void
angulo:=criar():void
pto: =c riar(): void
mostrarJanela()
Janela
Parâmetros do Robô
atualizarRobo(dados)
atualizarPerna()
atualizarMembros()
setarAngulos()
calcularCinematicaDireta()
setarPonto()
FIGURA 99 - Diagrama de seqüência: Parametrizar Robô
o Verificar Espaço de Trabalho
: o perad or
: C IntOpe ra dor
:
CCtrlVerificarEspaçoDeTrabalho
: C Ordem
: CRobo
es pTrab :=tes tarEsp açoDe Trab alh o( )
ge tDa dos()
[espTrab=NOK] mostrarMensagemErro(Ansistring )
Me nsa gem
FIGURA 100 - Diagrama de seqüência: Verificar Espaço de Trabalho
117
o Simular Movimentação
: operador
: CIntOperador
: S.O.
: CIntSO
: CC trlSimularMovimentação
: CTrajetoPata s
: CR obo
MostrarJanelaDeComandos()
Janela de Comandos
Comandos
timer
[Co mandos] IrProxPonto( )
incrementaIndiceTrajeto( )
R ealiza este
procedi mento para
as 6 pernas
GetPto()
FIGURA 101 - Diagrama de seqüência: Simular Movimentação
AtualizaPtoEnd()
118
o Calcular Trajeto das Patas
:
CCtrlInterpretarOrdem
: CCtrlCalcularTrajetoPatas
: CMarcha
: Modo
: CTra je to Pa tas
: COrdem
: CPontos
[espTrab=OK] calcularTrajetoPatas(Ordem)
Polimorf ismo:
[caso modo == CRAB] ref Modo=Crab()
[caso modo == [NORMAL] ref Modo=Normal()
getModo( )
modo=Modo( )
getMarcha( )
marc ha=Mar cha ( )
Polimorf ismo:
[caso marcha == TRIPOD] ref Marcha=Tripod()
[caso modo == RIPPLE] ref Marcha=Ripple()
[caso modo == WAVE] ref Marcha=Wav e()
trajeto=Trajeto( )
parametrizarTrajeto(Ordem *, Trajeto *)
parametrizarApoio( )
getAbertura( )
getPassoDaTracao( )
getPea( )
getPep( )
se tBas e( )
setPassoDaBase( )
setNumeroDeSegmentosDaBase( )
getUltimoPa sso DaB ase( )
parametrizarRetorno( )
getNumeroDeSegmentosDaBase( )
calcularNumeroDeSegmentosDeRetorno(f loat
nume roD eSegmento sDaBa se, f loa t base )
getAlturaDeRetorno( )
getBase( )
setNumeroDeSegmentosDaLateral( )
setNumeroDeSegmentosDaBaseSuperior( )
setPassoDaLateral( )
getPassoDaBaseSuperior( )
co nstroiPo nto s()
cria()
pr een che rP on tos (Or dem *, Traje to *)
preencherPontosDaBase( int &)
ge tAbertu ra( )
ge tAltu raD oRob o()
getNumeroDeSegmentosDaBase()
ge tPas soDa Base ()
setCoordenadas(f loat, f loat, f loat)
setTipoDaAresta()
preencherPontosDaLateral1( int &)
getAbertura()
getBase()
getAlturaDoRobo()
getNumeroDeSegmentosDaLateral1()
getPassoDaLateral( )
setCoordenadas(f loat, f loat, f loat)
setTipoDaAresta()
preencherPontosDaBaseSuperior( int &)
getAbertura()
getBase()
getAlturaDoRobo()
getAlturaDeRetorno()
getNumeroD eSegmentosDaBaseSuperior()
getPassoDaBaseSuperior( )
se tCo ord ena das (f loa t, f loat , flo at)
setTipoDaAresta()
preencherPontosDaLateral2( int &)
getAbertura()
getBas e()
getAlturaDoRobo()
getNumeroDeSegmentosDaLateral2()
getPassoDaLateral( )
setCoordenadas(f loat, f loat, f loat)
setTipoDaAresta()
FIGURA 102 - Diagrama de seqüência: Calcular Trajeto das Patas
119
o Calcular Trajetória do Robô
: CCtrlCalcularTrajetóriaRobô
: CTrajetoriaRobô
: CListaPonto
retornaUltimoPonto( )
ponto: =calc ularNovoPont o( )
inserirPonto(pont o)
otimizador( )
calcDistancias( )
verificaRegiaoLimite( )
ajust aRegiaoDaTrajet oria( )
FIGURA 103 - Diagrama de seqüência: Calcular Trajetória do Robô
o Comunicar Serial
: S.O.
: CIntSO
: CCtrlComunicarSerial
: CIntS erial
: Serial
: CIntOperador
: operador
[comando = conectar] conectar( )
conectar
timer
verificarConexão
[ comando = verificar] con:=verificarConexão( )
RxFlag( )
read( )
[con=false] mostrarMsgDesconexão
Mensagem Desconexão
[comando=desconectar] desconectar()
FIGURA 104 - Diagrama de seqüência: Comunicar Serial
120
o Visualizar Simulação
: operador
: CIntOperador
janela
: CCtrlVisualizarSimulação
: CRobo
: CTrajetoriaRobô
mostrarJanela( )
desenharRobô()
mostrarOpenGL()
desenho robô
desenharTrajetória()
desenho trajetória
mostrarTrajetória()
mostrarDistâncias()
distâncias
FIGURA 105 - Diagrama de seqüência: Visualizar Simulação
3.5.2 SOFTWARE SIMULADOR/CONTROLADOR DE ROBÔ HEXÁPODE
A partir do Projeto de Software apresentado no item 3.5.1, desenvolveu-se o
software Simulador/Controlador na plataforma de desenvolvimento Borland Builder
C++ 6.0, em sistema Windows, utilizando a arquitetura orientada a serviço.
O Software Simulador/Controlador de Robô Hexápode é uma aplicação com
ambiente interativo gráfico que, como diz seu nome, tem dois objetivos principais:
o Simular o comportamento cinemático de um Robô Hexápode;
o Controlar o Robô Hexápode (Interfacear o robô com o operador - IHM).
A estratégia utilizada pela equipe foi a de primeiro gerar o software simulador,
todo em ambiente PC, de forma a validar os modelos lógicos e cinemáticos
implementados. Isto permite à BR-ROBOTiCS
o domínio e a facilidade de
implementar e testar novas funcionalidades, modos de caminhar,etc.. Dessa forma o
trabalho de transpor para o software embarcado fica bastante reduzido, visto que na
121
parte lógica praticamente nada se altera. No Anexo B é apresentado o
funcionamento do software, com suas telas e comandos.
3.5.2.1
Tecnologias Utilizadas
3.5.2.1.1 OPENGL (API)
A parte gráfica do robô – vide FIGURA 106 - foi desenvolvida utilizando um
programa de interface para hardware gráfico, o OpenGL.
Não se trata de uma linguagem de programação e sim de uma API
(Application Programm Interface). Ela possui um funcionamento semelhante ao de
uma biblioteca C, uma vez que oferece uma série de funcionalidades. Além disso, é
uma API extremamente portável e rápida, o que faz com que não possua funções
para gerenciamento de janelas, interação com o usuário ou arquivos de
entrada/saída.
FIGURA 106 - Parte gráfica desenvolvida em OpenGL
Esta tecnologia se caracteriza por possuir um grande número de recursos,
fato que impulsionou o desenvolvimento de aplicações profissionais, programas de
engenharia e outros aplicativos, como o 3D Studio Max.
Ao invés de descrever a cena e como ela deve parecer, quando se está
utilizando OpenGL é preciso apenas determinar os passos necessários para
alcançar a aparência e o efeito desejado.
122
A seqüência de processos após as chamadas às funções API, que tornam a
tecnologia eficiente, é a seguinte.
1- Os comandos são colocados em um buffer de comandos;
2- Este buffer também é preenchido com vértices, dados de textura, etc.;
3- São aplicadas as transformações geométricas e de iluminação;
4- É feita a rasterização (gerada a imagem a partir dos dados geométricos,
de cor e textura);
5- A imagem final é colada no frame buffer (memória do dispositivo
gráfico).
Vale comentar ainda, que o OpenGL é uma máquina de estados, mantendo
uma série de variáveis de estado que não são alteradas até que uma função seja
chamada para isto. Estas variáveis podem ser um estilo de uma linha, posições,
características de luzes, propriedades do material dos objetos que estão sendo
desenhados, etc.
Na representação do robô hexápode e da superfície foi utilizada a biblioteca
GLU (que faz parte da implementação OpenGL). Ela fornece um conjunto de
primitivas gráficas, tais como pontos, linhas e polígonos.
Para a tecnologia ser incorporada a aplicação precisou ser instalado um
pacote disponível na internet. Este pacote dispõe de componentes e bibliotecas do
OpenGL.
3.5.2.1.2 COMPORT
A comunicação do Software com o DSP é realizada via uma interface serial.
Durante a programação da aplicação, para não ser necessário programar em nível
de API, foi utilizado uma VCL(Biblioteca de Componente Visual) gratuita chamada
TComPort. Este componente introduz diversas propriedades para configuração,
métodos de escrita e leitura e eventos para monitorar a porta serial. Dessa forma,
ficou bastante fácil a programação do envio dos dados via serial.
3.5.3 SOFTWARE TEMPO REAL
O controle de um servo motor se dá através de seu pino de controle no qual
se aplica um sinal PWM cujo ciclo de trabalho determina a posição do eixo do motor.
123
A freqüência desse sinal é 50Hz e o período 20ms, o tempo alto desse sinal varia
entre 1,1ms e 1,9ms para um faixa de ângulo que varia entre –45 graus e +45graus.
É possível notar que uma pequena variação no tempo alto do PWM implica numa
variação significativa do ângulo do eixo.
O sinal de controle não pode falhar e nem atrasar significativamente, pois
implica em deslocamentos importantes do eixo e conseqüentemente a instabilidade
do robô, este diagnóstico caracteriza um problema de tempo real severo, hard real
time system (BURNS 2001) no qual o descumprimento dos prazos torná-se
catastrófico e causa danos ao próprio sistema.
Para contornar esta restrição de projeto algumas possíveis soluções foram
levantadas:
A primeira delas foi transferir a responsabilidade de geração dos sinais PWMs
para o hardware com a utilização de lógica programável. Uma FPGA, por exemplo,
teria como entrada um barramento de dados no qual seria escrito o tempo alto ou o
ciclo de trabalho dos PWMs e um barramento de endereços no qual se selecionaria
qual dos 18 motores se estaria programando.
Esta solução não se mostrou inviável, mas o processador escolhido, com alta
velocidade de processamento poderia realizar esta tarefa desonerando o trabalho de
desenvolvimento de hardware.
A segunda solução pensada foi implementar o controle por software. Nesta
solução a geração dos sinais PWM seria mais uma carga computacional para o
processador que teria que processar os pesados cálculos de geração de trajetos,
controlar o recebimento de ordem de mudança de trajetos via serial e controlar a
ativação das patas eletromagnéticas. Este cenário conduziu o projeto do software
desde a fase de concepção.
O objetivo, portanto, era tentar aliviar a carga computacional que concorresse
com a geração dos sinais de PWM. A primeira decisão de projeto nesse sentido foi
conceber a geração de trajetória de forma que ela fosse calculada completamente
depois do recebimento da ordem via serial. Esta decisão eliminou a necessidade de
rodar rotinas de cinemática inversa, normalmente lentas, em tempo de execução do
movimento.
Após a implementação do gerador de trajetos foi implementado sem muito
critério um gerador dos sinais PWM. O algoritmo segmentava o tempo de 20ms em
256 sub-períodos gerados por interrupção nos quais se fazia a verificação de qual
124
sinal PWM estava na hora de baixar e levantava todos os sinais no primeiro subperíodo. O algoritmo funcionou parcialmente, pois apesar do movimento do robô
estar coerente ele apresentava tremores devidos à discretização do período.
Para resolver o problema foi bolado um algoritmo de geração dos sinais que
teoricamente não apresenta jitter. O algoritmo se aproveitou das propriedades do
sinal PWM especificado, são elas: 20ms de período, 18 sinais simultâneos, tempo
alto máximo 1,9ms e tempo alto mínimo 1,1ms. O diagrama do timming está
apresentado na FIGURA 107.
Timming Gerador PWM
0
20
19
18
17
16
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
ctrl 1ms
PWM1
PWM2
PWM3
PWM4
PWM5
PWM6
PWM7
PWM8
PWM9
PWM10
PWM11
PWM12
PWM13
PWM14
PWM15
PWM16
PWM17
PWM18
FIGURA 107 - Diagrama de timming dos PWM’s
A área hachurada representa a região temporal na qual potencialmente o
sinal baixará.
A implementação deste diagrama de timming se dá através de 2 timers: O
timer número 1 é responsável por levantar um sinal PWM de cada vez a cada
milisegundo e o segundo timer é programado dentro do timer número 1 com o tempo
alto do PWM anterior menos 1ms.
125
4
GESTÃO
4.1
ANÁLISE INICIAL
Por se defrontar com atividades geralmente não repetitivas, complexas e
dinâmicas, as características de gestão de projetos diferem da administração
tradicional de atividades de rotina.
O projeto desenvolvido pode-se classificar, segundo o prisma da inovação,
como um projeto misto, onde se tem relacionado o projeto de pesquisa e de
desenvolvimento. A seguir tem-se a definição de cada modelo:
o Projeto
de
pesquisa:
consiste
na
busca
sistemática
de
novos
conhecimentos, podendo estar inserido no campo da ciência ou
tecnologia;
o Projeto de desenvolvimento: objetiva a materialização de um produto ou
processo por meio de protótipo ou instalação piloto ou modelo;
Em relação ao conjunto de fases de um projeto, conhecido como “O ciclo de
vida do projeto”, o projeto vem se comportando de forma padrão, conforme FIGURA
108.
FIGURA 108 - Exemplo genérico de ciclo de vida de um projeto
126
Um outro modelo de ciclo de vida mais completo é mostrado na FIGURA 109.
Executando
Processos
Nível
De
Atividade
Planejando
Processos
Iniciando
Processos
Fase
Inicial
Controlando
Processos
Tempo
Fechando
Processos
Fase
Final
FIGURA 109 - Várias etapas de cada processo
A fase inicial foi a de estudo do domínio do problema na qual, através de uma
revisão bibliográfica acerca do problema, tomou-se noção da complexidade,
determinou-se os pontos críticos e observaram-se as tendências de pesquisa na
área. Para tanto foram considerados artigos publicados em congressos e revistas
especializadas que serviram para um primeiro contato, além de teses e dissertações
sobre robôs escaladores que trouxeram respostas às questões específicas. Nesta
fase foram alocados três homens e o custo foi baixo.
Terminada essa fase era necessário compilar os resultados e partir para a
definição do modelo de robô a ser pesquisado para então ser adquirido. Essa etapa
foi rápida já que todas as informações estavam bem definidas e as mesmas três
pessoas definiram e pesquisaram com um custo baixo. Então duas pessoas ficaram
responsáveis por iniciar a negociação da compra com a empresa escolhida
(Lynxmotion) via setor de importação do CEFET. Esse procedimento apesar de ser
de baixo custo foi muito demorado, conforme já descrito, pois para importações com
fins educacionais a burocracia é muito maior, quando comparada com uma compra
particular. Mas mesmo assim preferiu-se essa opção para reduzir os custos, já que
nesse caso a compra fica isenta de taxa de importação.
Durante o período de importação as atividades de estudo, pesquisa e
desenvolvimento não pararam. Duas pessoas iniciaram a modelagem das patas e
dos modos de caminhar que o robô executaria para que fosse possível desenvolver
os módulos de software responsáveis pelo controle do robô assim como para o
simulador também desenvolvido pela equipe. Outras duas pessoas passaram a
127
estudar e projetar as patas eletromagnéticas que foram descritas no item 3.3.4. Essa
etapa teve custo de materiais adquiridos para confecção dos protótipos dos carretéis
e também do fio esmaltado. Para alguns protótipos foi usado material próprio
conseguido emprestado de outros departamentos da UTFPR e, conforme foi se
definindo o modelo ideal, foi contratado o serviço da mesma empresa que
confeccionou o transformador para que enrolasse as bobinas dos carretéis de forma
a ficarem uniformes. Durante essa etapa o quinto integrante da equipe iniciou os
estudos da CPU que seria utilizada para o projeto (DSP 6711 da Texas Instrument)
já descrito no item 3.4.2.1.
Após aproximadamente 1 mês nessa etapa de projeto e desenvolvimento,
algumas implementações foram sendo feitas e analisadas, retornando para o ponto
de projeto e formando um sistema realimentado, de forma que a etapa de projeto
perdurou por bastante tempo, já que eram muitos os módulos do projeto completo e
sempre que era necessária a integração de duas partes algum desenvolvimento
extra se fazia necessário.
Após a chegada do robô, o que ocorreu em maio de 2005, uma pessoa foi
deslocada para a cuidar de toda a parte mecânica, que consistia em montar o robô,
analisar e executar alterações para facilitar a implementação dos demais módulos e
estudar e fazer a adaptação das patas magnéticas desenvolvidas.
Nessa etapa três pessoas estavam trabalhando na documentação do
software, desenvolvendo a parte de UML, implementando a modelagem levantada
na etapa anterior e iniciando o desenvolvimento de alguns módulos do software. O
quinto integrante já estava desenvolvendo programas básicos de teste, transferência
de dados, acionamento e controle de um servo motor usando o kit didático.
Seguiram-se de 3 a 4 meses nessa fase, com muitos testes realizados por
todos os integrantes, cada qual no seu tópico do desenvolvimento. Algumas placas
de hardware foram feitas para testes, incluindo circuitos montados em proto board,
placas universais, placas de circuito impresso feitas à mão, placas confeccionas pelo
setor de prototipagem do CPGEI com uma fresadora e também placas
confeccionadas por empresas especializadas na área.
A UML foi concluída e a implementação em linguagem C++ realizada, o
desenvolvimento do software de simulação foi iniciado e a integração do módulo
controlador com o robô foi feita, de forma que já era possível enviar via teclado
128
alguns comandos para os 18 servos motores do robô, fazendo com que ele andasse
pela primeira vez.
A partir de setembro todos os módulos começaram a ser integrados. Essa
tarefa estava sendo desenvolvida em conjunto por quatro membros, enquanto o
outro estava responsável por estudar, desenvolver e testar a parte de adaptação das
patas magnéticas à pata do robô, que seria o próximo item a ser integrado para que
fosse possível fazer o robô andar em superfícies ferromagnéticas inclinadas. Outro
item desenvolvido nessa época por esse membro, com o auxílio de mais um
integrante foi a fonte de alimentação que foi descrita no item 3.4.1.
A partir de outubro os cinco membros trabalharam em conjunto praticamente
o tempo todo, pois todos os módulos estavam sendo integrados e um precisava do
apoio do outro para unir as partes. Assim seguiu-se até o fim do desenvolvimento do
projeto.
4.2
SISTEMAS E SUB-SISTEMAS
Para facilitar o entendimento da gestão de projetos utiliza-se o conceito de
sistemas. Sistema pode ser definido como um conjunto de partes individuais
(subsistemas) que interagem entre si formando um todo. Assim, um projeto pode ser
visto como um sistema onde existem diversas atividades que se inter-relacionam e
que têm como objetivo comum um resultado final.
Em busca de uma gestão adequada ao projeto, buscou-se definir bem o
conjunto de atividades necessárias para se chegar ao objetivo.
Vale ressaltar que neste projeto existe uma dificuldade de se realizar a
integração dos módulos que compõem o sistema. Devido a esse fato o estudo do
problema, a engenharia de requisitos, o estudo das especificações não funcionais e
o estudo das interfaces são de vital importância. Portanto antes de todas as demais
atividades um estudo detalhado destes tópicos foi realizado.
O sistema engloba toda a arquitetura do robô escalador de patas. Os subsistemas e as atividades desenvolvidas estão listados na TABELA 4.
129
TABELA 4 - Sub-sistemas do projeto desenvolvido
Hardware - Atividades:
Projeto da placa e especificação dos periféricos e demais componentes
Confecção das placas de hardware incluindo a placa mãe (motherboard) e as
placas filhas (Daughter Board).
Montagem das placas com os componentes
Realização dos testes funcionais de hardware
Software - Atividades:
Desenvolvimento do código
Teste dos módulos
Teste de integração com o hardware
Mecânica - Atividades:
Encomenda da estrutura mecânica em uma empresa especializada
Projeto da pata eletromagnética
Desenvolvimento do sistema de articulação para fixar o carretel à pata
Teste da estrutura mecânica
Teste de integração com o sistema (software e hardware)
4.3
CRONOGRAMA
Todo projeto precisa ter um cronograma base para que se possa fazer um
planejamento de tudo que precisa ser realizado e distribuir ao longo do prazo
permitido. É de conhecimento geral que na maioria das vezes ele sofre alterações
durante o desenvolvimento, mas pelo menos se tem uma boa idéia de como está o
andamento do projeto e o tempo disponível para a cada etapa.
Um cronograma havia sido feito para o pré-projeto quando foi desenvolvida a
idéia do projeto e já na defesa de Projeto Final I algumas alterações tiveram de ser
feitas, isso com apenas três meses de desenvolvimento e ainda restando mais de
nove meses para a conclusão do projeto. Com isso era perfeitamente previsível que
mais alterações aconteceriam ao longo do desenvolvimento até a defesa final.
Ao longo do desenvolvimento muitos imprevistos foram aparecendo, alguns
planos alterados, outros itens incorporados e isso acarretou em mudanças
significativas de cronograma, e um atraso grande na conclusão, já que a idéia inicial
era finalizar o projeto até dezembro de 2005 e isso só se dará no fim de janeiro de
2006, véspera da defesa, impedindo que testes práticos em campo fossem
realizados.Na TABELA 5 tem-se o cronograma inicial proposto durante o pré-projeto,
em dezembro de 2004.
130
TABELA 5 - Cronograma inicial
Atividades
N
D
J
F
M
Período 2004-2005
A M J
J A
S
O
N
1. Engenharia de Requisitos:
1.1. Levantamento e estudo de robôs
1.2. Compra e espera de entrega do
robô
1.3. Montagem do robô
1.4. Análise do robô adquirido
1.5. Modelagem (interfaceamento) e
especificações não funcionais
2. Projeto:
2.1. Projeto do sistema (mecânico,
hardware e software)
2.2. Especificação dos módulos
3. Implementação:
3.1. Hardware:
3.1.1. Confecção da placa HW
3.1.2. Montagem da placa com os
componentes
3.1.3. Realização do teste funcional de
hardware
3.2. Software:
3.2.1 Desenvolvimento do código
3.2.2 Teste dos módulos
3.2.3Teste de integração com o
hardware
3.3. Parte Mecânica:
3.3.1. Teste da estrutura mecânica
3.3.2 Teste de integração com o
sistema (software e hardware)
4. Testes:
4.1. Testes em campo
4.2. Aperfeiçoamento do robô
5. Finalização do projeto e confecção
do relatório final
O maior motivo pelo atraso nas atividades foi a ocorrência do atraso de
importação do robô. Era um risco levantado e considerado o maior deles, mas
mesmo assim o atraso foi maior que o esperado por problemas alfandegários e
burocráticos. O processo que deveria acontecer em dois meses acabou demorando
seis. O levantamento e o estudo de robôs ocorreu no tempo certo, mas o aguardo da
compra se prolongou.
Enquanto isso, a modelagem e algumas especificações foram sendo
realizadas, com base nas informações do fabricante, para que o atraso na compra
não significasse o mesmo tempo de atraso no desenvolvimento, mas obviamente
prejudicou bastante o cronograma, já que todos os itens que dependiam da estrutura
mecânica foram deslocados pelo menos três meses para frente.
D
131
Um fator bastante crítico ao projeto que obteve excelente andamento neste
período foi o estudo da escalabilidade, quando se projetou e testou a pata
eletromagnética. Muitas alterações foram feitas nessa parte também depois da
chegada do robô, mas a idéia estava fundamentada e alterações eram simples e
rápidas de se fazer, não sendo fator crítico para a conclusão do projeto.
Na TABELA 6 tem-se o cronograma das atividades executadas no período até
janeiro de 2006.
TABELA 6 - Cronograma final
Atividades
1. Engenharia de Requisitos:
1.1. Levantamento e estudo de robôs
1.2. Compra e espera de entrega do
robô
1.3. Montagem do robô
1.4. Análise do robô adquirido
1.5. Modelagem (interfaceamento) e
especificações não funcionais
2. Projeto:
2.1. Projeto do sistema (mecânico,
hardware e software)
2.2. Especificação dos módulos
3. Implementação:
3.1. Hardware:
3.1.1. Confecção da placa HW
3.1.2. Montagem da placa com os
componentes
3.1.3. Realização do teste funcional de
hardware
3.2. Software:
3.2.1 Desenvolvimento do código
3.2.2 Teste dos módulos
3.2.3Teste de integração com o
hardware
3.3. Parte Mecânica:
3.3.1. Teste da estrutura mecânica
3.3.2 Teste de integração com o
sistema (software e hardware)
4. Testes:
4.1. Testes em campo
4.2. Aperfeiçoamento do robô
5. Finalização do projeto e confecção
do relatório final
N
D
J
F
M
Período 2004-2006
A M J J A
S
O
N
D
J
132
4.4
RESPONSABILIDADE DAS AÇÕES E CUSTOS
O projeto passou por uma fase em que as ações e quantidade de homens são
reduzidos. Na TABELA 7 pode-se ver a estimativa inicial de ações e homens,
elaborada em 22/12/04. O total de horas indica quantas horas eram necessárias
para a execução da ação. A coluna homens indica quantos homens e quais deles
seriam alocados para a tarefa.
TABELA 7 - Previsão inicial de ações e custos
Ação
Custo
Total horas
704h
50h
7h
50h
50h
1. Engenharia de Requisitos:
1.1. Levantamento e estudo de robôs
1.2. Compra do robô
1.3. Montagem do robô
1.4. Análise do robô adquirido
1.5. Modelagem (interfaceamento) e especificações não
80h
funcionais
2. Projeto:
600h
2.1. Projeto do sistema (mecânico, hardware e software)
80h
2.2. Especificação dos módulos
40h
3. Implementação:
525h
3.1. Hardware:
3.1.1. Confecção da placa HW
25h
3.1.2. Montagem da placa com os componentes
20h
3.1.3. Realização do teste funcional de hardware
40h
3.2. Software:
3.2.1. Desenvolvimento do código
70h
3.2.2. Teste dos módulos
30h
3.2.3. Teste de integração com o hardware
20h
3.3. Parte Mecânica:
3.3.1. Teste da estrutura mecânica
25h
3.3.2. Teste de integração com o sistema (software e
20h
hardware)
4. Testes:
1000h
4.1. Testes em campo
100h
4.2. Aperfeiçoamento do robô
100h
5. Finalização do projeto e confecção do relatório final
750h
* Onde: C- Carlos, D- Rafael Daciuk, J– Jean, M- Marcos, R- Renato
Homens*
3 - J,C,M
2 – J,M
3 – D,R,J
3 – C,R
3- C, M, D
5
5
2-D,R
2-D,R
2-D,R
3 – C, M, J
2 – C, M
2 – C, M
1–J
1–J
5
5
5
Somando todos os subtotais chega-se a 3579 horas, considerando o total de
horas trabalhada em cada item por todos os integrantes. Assim como o cronograma
das atividades sofreu alterações e um aumento considerável de duração de cada
atividade, a tabela de ações e custos também sofreram alterações. A quantidade de
horas e os homens alocados em cada atividade até o fim do projeto, durante o
período de Novembro/2004 a Janeiro/2006 estão demonstradas na TABELA 8.
133
TABELA 8 - Ações e Custos do período de atividades
Ação
Custo
Total horas
646h
50h
12h
20h
50h
1. Engenharia de Requisitos:
1.1. Levantamento e estudo de robôs
1.2. Compra do robô
1.3. Montagem do robô
1.4. Análise do robô adquirido
1.5. Modelagem (interfaceamento) e especificações não
80h
funcionais
2. Projeto:
800h
2.1. Projeto do sistema (mecânico, hardware e software)
100h
2.2. Especificação dos módulos
60h
3. Implementação:
1270
3.1. Hardware:
3.1.1. Confecção da placa HW
100h
3.1.2. Montagem da placa com os componentes
50h
3.1.3. Realização do teste funcional de hardware
50h
3.2. Software:
3.2.1. Desenvolvimento do código
120h
3.2.2 Teste dos módulos
60h
3.2.3 Teste de integração com o hardware
40h
3.3. Parte Mecânica:
3.3.1. Teste da estrutura mecânica
30h
3.3.2. Teste de integração com o sistema (software e
100h
hardware)
4. Testes:
1000h
4.1. Testes em campo
0h
4.2. Aperfeiçoamento do robô
200h
5. Finalização do projeto e confecção do relatório final
1000h
* Onde: C- Carlos, D- Rafael Daciuk, J– Jean, M- Marcos, R- Renato
Homens*
5
3 – C,J,M
1–J
2 – J,R
3 – C,M,D
5
5
1-D
2-D,J
2-D,R
3 – C,M,R
3 – C,M,R
5
1–J
2 – J,R
5
5
Portanto, considerando todas as atividades realizadas ao longo de 15 meses,
obteve-se um total aproximado de 4716 horas com uma média de 940 horas por
integrante da equipe dedicadas ao desenvolvimento do robô. Em relação ao
planejado isso representa um aumento de 220 horas por pessoa, o que é bastante
representativo.
Isso ocorreu em decorrência da falta de experiência para planejar o
desenvolvimento de um projeto de tamanha complexidade e com um número
relativamente grande de pessoas. Pensar na forma de distribuir o projeto foi uma
tarefa aparentemente simples, até que se começou a executá-lo. Foi então que
começaram a surgir as primeiras complicações, necessidades de alterações,
aquisição de componentes ou equipamentos que a princípio eram considerados
desnecessários.
134
4.5
ANÁLISE DE RISCOS
Inicialmente os seguintes riscos foram levantados:
TABELA 9 - Análise de Riscos
Grau
Descrição
Impacto
Alto
Atrasos de importação
3
Médio
Médio
Médio
Médio
Baixo
Baixo
Dificuldade na compra dos
componentes
Aumento exagerado na
complexidade da
modelagem
Falhas de projeto e
construção da parte
mecânica
Estouro orçamentário do
projeto
Perda dos recursos
financeiros do projeto
Perda de recursos
humanos
4
Implicações
Atraso de
cronograma
Componentes
alternativos
Prob.
0.3
0.15
Ação
Efetuar compras com
antecedência
Trabalhar com
componentes usuais
3
Diminuição da
especificação
0.25
Revisar o escopo do
projeto
6
Atraso de
cronograma
0.4
Basear-se em modelo já
estudados e testados
4
Diminuição da
especificação
0.10
9
Plano B
0.1
2
Sobrecarga dos
remanescentes
0.1
Diminuir o escopo do
projeto
Firmar um acordo
previamente
Definir uma equipe
criteriosamente
Conforme a análise inicial, o risco de maior grau e significativa probabilidade
ocorreu. Apesar de previsto o atraso da importação foi maior que o esperado,
mesmo efetuando a compra com antecedência. Como impacto, houve um
remanejamento
de
atividades,
e
algumas
atividades
foram
atrasadas
ou
antecipadas.
Além da importação do robô houve problemas com importação e compra de
componentes eletrônicos, mas esses atrasos não foram tão graves, apesar de
também terem atrapalhado um pouco no cronograma planejado. Esse risco também
fora previsto.
Dos demais riscos previstos nenhum se concretizou ou foi solucionado a
tempo sem prejudicar em muito o desenvolvimento do projeto.
4.6
CUSTOS FINANCEIROS
Na
TABELA
10
estão
listados
os
principais
itens
adquiridos
no
desenvolvimento do projeto e seus respectivos custos em reais. Para a efeito de
135
análise futura pode-se considerar a cotação do dólar a R$ 2,40 apesar de ter
flutuado durante o período de desenvolvimento.
TABELA 10 - Gastos no desenvolvimento
Descrição
Preço (R$)
Kit do Robô Lynxmotion
5.000,00
Motores HSR-5995TG (18 unidades)
12.000,00
Ímãs
400,00
Enrolar eletroímãs (fios + mão de obra)
300,00
Barras de Nylon
50,00
Barras de Alumínio
30,00
Chapas e parafusos
20,00
Transformador
480,00
Componentes para fonte de alimentação
80,00
Placas de circuito impresso
2.500,00
Componentes eletrônicos
2.000,00
Soldagem da placa
350,00
Cabos
30,00
Componentes adquiridos como amostra* 1.000,00
Total: 24.240,00
*Considerando o custo caso fossem comprados.
136
5
5.1
PLANO DE NEGÓCIOS
RESUMO EXECUTIVO
A empresa BR_ROBOTiCS tem por objetivo atingir um ramo de mercado
nacional e internacional que tem crescido exponencialmente nos últimos anos: o
mercado de inspeção. Este crescimento é decorrente da preocupação das empresas
com o meio ambiente e segurança, além da busca constante por maiores
rentabilidades. Principalmente em ambientes hostis ao ser humano, como os
encontrados durante uma inspeção de cascos de navios, há uma tendência de se
automatizar esta tarefa, utilizando para isso robôs.
Considerando isto, a BR_ROBOTiCS entrará no mercado propondo soluções
de robótica móvel inovadoras e de alto nível tecnológico. Seus produtos serão robôs,
portadores de sensores, para inspeção de cascos de navios, plataformas de
exploração petrolífera e outros equipamentos industriais. Além de fornecê-los, a
empresa dará todo o apoio técnico para eventuais alterações em algum aspecto que
facilite determinado serviço, e também criará novos modelos de acordo com a
necessidade do mercado. Tudo visando garantir a satisfação do cliente.
No seu produto chave, o Robô de Inspeção de Cascos de Navios, a empresa
visa propiciar aos seus clientes uma solução que realize esta tarefa com maior
agilidade, facilidade, precisão e principalmente menor custo. As soluções atuais não
conseguem atingir estes objetivos, visto que utilizam mergulhadores especializados
para realizar uma inspeção visual, ou utilizam equipamentos desenvolvidos para
esse fim que necessitem da operação de pelo menos um mergulhador. Isso torna a
tarefa cara, perigosa e dispendiosa.
A principal estratégia de marketing da empresa será adentrar no segmento
alvo e obter o seu reconhecimento quanto à eficiência do produto. Tendo uma
empresa de porte assegurando a qualidade do equipamento, a sua inserção num
mercado amplo será apenas questão de tempo.
A proposta de valor é de R$ 400.000,00 (quatrocentos mil reais). Ela
considera não só o nível tecnológico do produto, mas principalmente o custo
benefício que ele irá apresentar ao cliente e o potencial da industria em que se esta
trabalhando, a petrolífera, que normalmente tem seus patamares de preços
137
inflacionados. Com esse valor e considerando o que a indústria de petróleo gasta
atualmente nesta tarefa, em duas inspeções de grande porte o cliente terá
recuperado o valor investido no produto.
Inicialmente, a empresa será composta por cinco sócios, sendo que dois
atuarão em tarefas de marketing e administrativa, além das tarefas de pesquisa e
desenvolvimento que será executada por todos.
Conforme o investimento inicial da empresa, orçado em R$ 497.500,00
(quatrocentos e noventa e sete mil e quinhentos reais), e seu faturamento que
deverá ser de R$ 75.130,00 (setenta e cinco mil cento e trinta reais) no primeiro
semestre do primeiro ano, chegando à R$ 597.903,00 (quinhentos e noventa e sete
mil e novecentos e três reais) no mesmo período do ano seguinte, a BR_ROBOTiCS
trará retorno ao investidor no início do seu segundo ano de funcionamento.
5.2
DEFINIÇÃO
DO
NEGÓCIO:
VISÃO,
VALORES
E
DIFERENCIAIS
ESTRATÉGICOS
5.2.1 MISSÃO
Satisfazer o mercado de inspeção com soluções de robótica móvel
inovadoras de alto nível tecnológico, maximizar o retorno para os acionistas, gerar
oportunidades de desenvolvimento para os empregados, promover retorno à
sociedade e respeitar sempre todas as partes envolvidas.
5.2.2 VISÃO
A BR_ROBOTiCS será uma empresa com forte presença no mercado
nacional, visando também o internacional, na produção de robôs, portadores de
sensores, para inspeção de cascos de navios, plataformas de exploração petrolífera
e demais equipamentos da indústria. Seus produtos serão fornecidos às empresas
que possuem departamentos de inspeção próprios, ou às especializadas em
prestação de serviço nessa área. A BR_ROBOTiCS dará todo o apoio técnico para
eventuais alterações em algum aspecto que facilite determinado serviço, além de
todo suporte necessário para garantir a satisfação do cliente. O negócio também
138
visa a criação de novos modelos de acordo com a necessidade do mercado e com a
aprovação da viabilidade técnica e financeira.
5.2.3 VALORES
Inovação, liderança, ética, comprometimento, trabalho em equipe e
compromisso com o cliente.
5.2.4 DIFERENCIAIS ESTRATÉGICOS
Competência associada à criatividade produzindo inovações no mercado de
inspeção.
5.3
OBJETIVO
Ao terceiro ano o objetivo da empresa é ter fornecido cerca de 20 (vinte)
robôs de inspeção, principalmente ao segmento da indústria petrolífera, atingindo
assim um amplo mercado neste segmento.
Para esse produto despontar nesse mercado é necessário que tenha um
custo beneficio favorável, visando oferecer maior segurança de serviço por um
menor preço. Assim, possuindo os atributos necessários para ser mais vantajoso e
eficiente que as empresas concorrentes, a penetração no mercado irá se tornar
simples e em potencial, já que se trata de um segmento que movimenta muito
dinheiro todos os dias.
A partir do momento que o robô passar a ser uma ameaça para as empresas
especializadas em inspeção que utilizam a mão de obra de mergulhadores, o
objetivo é que elas abandonem a condição inicial de concorrente para migrar à
condição de cliente, adquirindo os robôs para realizar as inspeções.
139
5.3.1 OBJETIVO INTERMEDIÁRIO
No primeiro ano o objetivo é colocar pelo menos três unidades do robô no
mercado, e com eles testar, aperfeiçoar o modelo e principalmente obter o
reconhecimento da eficiência do produto, de forma a gerar um marketing positivo à
empresa.
As empresas que trabalham com tecnologia vêm evoluindo e desenvolvendo
novos projetos e sistemas rapidamente, principalmente nos setores em que há muito
recurso financeiro como é o caso do petrolífero. Por isso, fazer uma previsão de
objetivo da empresa para três anos parece simples, mas torná-lo realidade nem
tanto. Avaliações constantes abrangendo tarefas como verificação de metas, análise
dos seus resultados, estudo das atitudes tomadas por empresas concorrentes, além
de outros pontos importantes deverão ser feitas após um tempo razoável de
introdução no mercado e também com tempo hábil para mudanças significativas,
caso seja percebida essa necessidade.
5.4
PRODUTOS E SERVIÇOS
5.4.1 DESCRIÇÃO DO PRODUTO
O produto inicial da empresa se trata de um robô para inspeção de cascos de
navios. Devido a grande demanda desse serviço especializado, abre-se a
possibilidade para que novas tecnologias sejam desenvolvidas e implementadas,
gerando novos produtos. Esses produtos proporcionam grande segurança e
precisão,
quando
comparados
aos
serviços
de
inspeção
realizados
por
mergulhadores.
O robô se locomove através de seis patas, sendo que cada uma tem três
graus de liberdade. Esse modelo foi decidido após a análise dos problemas já
enfrentados por outros centros de pesquisa e tomando por referência o tipo de
superfície, as condições de locomoção e fixação e demais dificuldades inerentes ao
tipo de aplicação.
140
Adaptando os tipos de sensores necessários para uma inspeção eficiente,
rápida e segura o robô pode perfeitamente ser empregado no mercado como forte
concorrente ao uso de mão de obra de mergulhadores.
O robô está projetado e dimensionado para se locomover em superfícies
ferromagnéticas com qualquer ângulo de inclinação inclusive de ponta cabeça. O
que determina a aplicação do mesmo são os sensores, que nesse caso serão
exclusivos para inspeção de cascos de navios, podendo estender-se a plataformas
marítimas, tanques de armazenamento com superfícies de aço, etc.
Os tipos de sensores que o robô irá portar são: sensor de corrosão por
ACFM; por ultra-som, medição da espessura; e visualização com o auxílio de
câmeras filmadoras. Com alguns robôs, cada qual com um tipo de sensor acoplado
pode-se fazer a varredura no casco em busca de problemas. Dessa forma seria
dispensável o uso da equipe de mergulhadores reduzindo consideravelmente o
custo da operação. Seriam necessárias apenas pessoas para fazer o controle do
robô e a análise das informações coletadas, o que seria possível com apenas dois
funcionários. Com isso seria poupado o serviço da mão de obra humana
mergulhando em águas perigosas, evitando assim riscos de acidente de trabalho e
danos à saúde dos funcionários envolvidos.
A empresa fornecerá seis meses de garantia nos seus produtos e proverá
serviços de manutenção e adaptação a qualquer instante.
5.4.1.1
Análise do Usuário
Uma tarefa de inspeção, para que seja bem executada, necessita de uma
equipe de trabalho. Esta equipe é formada por engenheiros e operadores.
Normalmente é um engenheiro de equipamentos com especialidade em inspeções
quem comanda a equipe, ficando a cargo dos operadores de inspeção a operação
dos robôs, colocando-os em posição, controlando-os e possibilitando o levantamento
dos dados da superfície para uma análise em tempo real ou posterior, por um
especialista em inspeção.
Portanto, o operador de inspeção é considerado como sendo o usuário final
do nosso produto. Pois se trata daquele que realmente vai operar e colocar em
funcionamento o robô de inspeção. É esse usuário que foi analisado, para podermos
141
criar um produto que atenda suas expectativas e que seja amigável em sua
operação.
TABELA 11 - Perfil do usuário
Perfil de um operador
Sexo:
Masculino
Idade:
25-40
Escolaridade:
Técnico(2° Grau completo)
Profissão:
Operador de Inspeção
Objetivo
Crítico
Características:
Metódico
Desconfiado
5.4.2 ANÁLISE COMPARATIVA
Para inspeções de casco de navios ainda é muito comum o uso de
mergulhadores. Normalmente é formanda uma equipe composta por sete pessoas e
custa cerca de R$ 10.000,00 (dez mil reais) por dia.
Utilizando um pouco mais de soluções tecnológicas, existem no mercado
alguns robôs e sistemas autômatos para realizar essa operação, mas nenhum
consegue dispensar a mão de obra de mergulhadores especializados, pois não
possuem um sistema que é capaz de contornar obstáculos maiores, e movimentarse pelo casco com facilidade permitindo que seja acoplado ao bordo superior e
desça até a parte inferior do casco sozinho. Todos precisam, de alguma forma, ser
posicionados por pessoas em baixo da água. Ainda, outros sistemas que utilizam
hélices para se locomover só permitem a inspeção da porção submersa do casco.
Além disso, ainda dividem-se em três grupos os robôs existentes no mercado:
os que são utilizados para verificar o casco inteiro, que no caso de um petroleiro
possui cerca de 14.000 m², um segundo grupo que é utilizado para porções menores
de 500 a 1000 m² por amostragem e alguns sistemas muito precisos e detalhistas,
mas que só são viáveis para pequenas inspeções bem localizadas com áreas de até
50m².
O robô proposto é capaz de fazer a inspeção em toda a superfície assim
como em pequenas porções, bastando o operador responsável pelo controle do
mesmo determinar a velocidade, modo de caminhar e o passo de cada medição. O
projeto é totalmente flexível nesse sentido e ainda permite inspecionar locais que
outros robôs maiores e com estruturas menos “flexíveis” não alcançariam.
142
5.4.3 TECNOLOGIA
O corpo do robô é constituído na maior parte de Lexan®. A resina Lexan® é
uma resina de Policarbonato resultante da reação entre derivados do ácido
carbônico e o bisfenol A. Este termoplástico de engenharia tem se tornado muito
conhecido por ser transparente como o vidro e resistente como o aço. Seu
surgimento se deu na Europa em 1959 e em 1960 já começava a ser produzido pela
General Electric Co, que detém a patente sobre esse material.
Este material é resistente a ácidos, álcoois e álcalis, geralmente não causa
problemas em baixas concentrações e temperatura ambiente, é compatível com
detergentes e agentes de limpeza assim como com óleos e graxas puras. Apenas o
contato com solventes, aditivos e cetonas devem ser evitados para não
comprometer a estrutura mecânica, mas como todo o corpo é blindado para sequer
entrar em contato com a água, isso não representaria problema. As partes metálicas
ou são de alumínio ou de aço carbono.
Os 18 motores são todos servos do fabricante Hitec. O modelo utilizado é o
HRS-5995TG que é o motor de maior torque e com tamanho reduzido, permitindo
uma estrutura menor, mais leve e mesmo assim, muito resistente. Trata-se de um
motor servo digital, programável, com engrenagens de titânio que garantem maior
durabilidade mesmo sob grandes esforços.
Para o controle está sendo utilizado o Processador Digital de Sinais (DSP –
Digital Signal Processor) da Texas Instruments, modelo TMS320C6711D, com
capacidade de rodar a 250 MHz, sendo capaz de executar 1500 milhões de
operações em ponto flutuante por segundo.
A placa do controlador foi desenvolvida baseada no kit didático da própria
Texas Instruments modelo TMS320C6711. As características da placa desenvolvida
são:
o Tensões de alimentação:
1.4 V
para o núcleo do DSP;
3.3 V
para as portas de I/O (input e output) do DSP e para os outros
circuitos integrados na placa, disponível também nos conectores de
interface com outras placas;
143
5 V
para os reguladores de tensão e disponível também nos
conectores de interface com outras placas.
o 64 MB de memória SDRAM podendo rodar com clock de até 100 MHz,
fornecido pelo DSP;
o 1 MB de memória FLASH, utilizada para gravação do firmware do sistema
que é carregado durante a inicialização. Esta memória pode ser gravada
através da interface serial (COM) de qualquer computador, permitindo
atualizações de software ou até alterar a função do sistema como um todo
com facilidade;
o Microcontrolador MSP430F133, utilizado para gravar o firmware na
memória FLASH através da interface serial;
o Interface JTAG para debug prévio dos programas, útil na fase de
desenvolvimento;
o Interface JTAG para gravar o firmware no microcontrolador MSP;
o Conectores devidamente bufferizados para comunicação com “placasfilhas”
(DaughterBoards)
utilizando
o
mesmo
padrão
do
kit
de
desenvolvimento da Texas Instruments, possibilitando a reutilização de
placas previamente desenvolvidas.
O projeto também possui uma daughterboard. As principais características
desta placa são:
o Interface para os 18 motores;
o Interface para o módulo que aciona os 6 eletroímãs;
o Entrada paras os 6 sensores de força;
o Interface serial para comunicação com o microcomputador;
o Entrada para alimentação dos motores, dos eletroímãs e do resto dos
circuitos, inclusive a alimentação da MotherBoard (5 V).
Há também um software que funciona como controlador e ainda possui a
função de simulador e visualizador da trajetória que o robô está descrevendo
durante a inspeção. Através desse software é possível passar comandos do tipo
direção e definir diversas formas de locomoção. O visualizador foi desenvolvido em
144
OpenGL, que é uma Interface de Programa para Aplicativos (API) voltado a
simulação em 3D.
As informações são passados ao processador do robô pela interface serial do
computador. Essa comunicação é feita utilizando o protocolo RS-422 para que se
tenha o alcance via par metálico necessário para esse tipo de serviço, já que cascos
de navios petroleiros têm normalmente mais de 200m de comprimento. Para usar
esse protocolo foi desenvolvida uma placa que é conectada à interface serial do
computador e transforma RS-232 para RS-422 sendo alimentada pela própria porta
do PC, sem necessidade de fonte externa de alimentação.
Para a alimentação de toda a parte eletro-eletrônica foi desenvolvida uma
fonte de alimentação de potência. Isso porque os motores consomem muita corrente
(cerca de 50A com 7,4V quando todos estão na força máxima) e não seria possível
fazer um robô desse tipo e com o tamanho que possui capaz de carregar baterias. A
fonte alimenta os 18 motores, os seis eletroímãs das patas e a parte eletrônica das
placas do microprocessador. Essa fonte é alimentada em 127V ou 220V e fica sobre
o convés do navio.
O sistema eletromagnético acoplado às patas que permite a fixação e
sustentação do robô em superfícies metálicas foi inteiramente desenvolvido pela
equipe. Não há no mercado algo parecido para essa aplicação. Por isso, foram
necessários um amplo estudo, muitos protótipos e testes até se chegar no modelo
final. Trata-se de um sistema que utiliza ímãs de terras raras (compostos de
neodímio, ferro e boro), que são os mais fortes existentes no mercado, e eletroímãs
que somente são utilizados no momento da locomoção. Isso traz duas grandes
vantagens: baixo consumo durante o sistema de inspeção e, caso ocorra um
problema no suprimento de energia, o robô se mantém fixo ao casco.
5.4.4 PRODUTOS E SERVIÇOS FUTUROS
A partir da plataforma do robô de inspeção de cascos de navios, novos
produtos poderão ser lançados, apenas modificando-os para cada situação
específica. O know-how adquirido, também permitirá a criação de novos modelos a
partir da necessidade do mercado.
Em conjunto com o desenvolvimento de novos robôs serão estudados e
testados outros tipos de sensores que auxiliarão na inspeção, tais como sistema de
145
análise por imagem, baseado em reconhecimento de padrões para verificar
irregularidades e possíveis pontos críticos para uma manutenção preventiva.
O aperfeiçoamento dos robôs e sensores, bem como a utilização de novas
tecnologias deve ser um fato corrente dentro da empresa. Associado a uma ampla
divulgação e o suporte do sucesso no lançamento do primeiro produto, a empresa
visa ser uma marca de expressão no mercado e visa gerar retorno rápido e
constante aos acionistas.
5.5
ANÁLISE DE MERCADO
5.5.1 SEGMENTAÇÃO DE MERCADO
A tarefa de inspeção de cascos de navios abrange as mais diversas áreas da
indústria. Os principais segmentos do mercado e as perspectivas de venda para
cada segmento são:
TABELA 12 - Clientes potenciais
Clientes Potenciais
Empresas Petrolíferas
Empresas Frotistas de
Navios
Empresas Prestadoras de
Serviço de Inspeção
Outras
Total
5.5.1.1
2006
2007
2008
2
4
3
1
2
3
0
1
1
0
3
0
7
1
8
Empresas da Área de Exploração Petrolífera
Nessa área existem vários clientes no mercado mundial, porém dentre esses
diversos clientes há um em especial: a PETROBRAS. Esse cliente é o responsável
pelo desenvolvimento desse projeto, pois esse surgiu através de uma necessidade
da PETROBRAS em obter novas soluções para os serviços de inspeção de cascos
de navios.
A necessidade dessa empresa foi observada através de um edital realizado
pela CT-PETRO. Esse órgão tem como objetivo estimular a inovação na cadeia
produtiva do setor de petróleo e gás natural, a formação e qualificação de recursos
146
humanos e o desenvolvimento de projetos em parceria entre empresas e
universidades, instituições de ensino superior ou centros de pesquisa do país,
visando o aumento da produção e da produtividade, a redução de custos e preços e
a melhoria da qualidade dos produtos do setor.
Nesse edital foram colocadas propostas de projetos de diversas áreas em
que a PETROBRAS atua, mostrando o que precisa ser desenvolvimento em cada
uma dessas áreas. Dentre as várias propostas se verificou na área exploração e
produção a seguinte demanda: Sistema portador de sensores não-destrutivos e de
corrosão para inspeção de cascos de navios.
Essa demanda trata do desenvolvimento de células (potencial eletroquímico,
sensor de ultra-som, sensor de correntes parasitas, sensor de ACFM, câmaras de
fotografia e de filmagem mono e tridimensionais) que permitam o deslocamento no
fundo do casco dos navios de produção com a finalidade de levantar dados de
inspeção não-destrutiva e de integridade estrutural.
5.5.1.2
Empresas Frotistas de Navios
Existem muitas companhias nacionais e outras internacionais com base no
Brasil que possuem grandes frotas de navios e seriam potenciais compradores dos
robôs de inspeção. Para uma frota grande de navios o custo do robô se torna
insignificante quando comparado ao gasto anual na contratação de outras empresas
para realizar a inspeção de manutenção preventiva.
Adquirindo um robô e treinando alguns funcionários para operá-lo certamente
traria um retorno do investimento em um curto prazo, pois geraria economia e a
possibilidade de realizar inspeções com intervalos menores, garantindo uma maior
vida útil da frota.
5.5.1.3
Empresas Especializadas em Inspeção
Esses são os outros clientes importantes no mercado, pois são os
responsáveis por suprir a demanda existente desses serviços. Como essas
empresas detêm o mercado atual, é importante para as mesmas estarem sempre
buscando e investindo em novas soluções.
147
5.5.2 SEGMENTO ALVO
Em especial, há uma indústria que tem uma atenção redobrada, a petrolífera.
Isso decorre pelos riscos ambientais, pelo nível de segurança e principalmente pela
quantia de dinheiro que suas tarefas envolvem.
5.5.3 NECESSIDADES DO MERCADO
Atualmente
a
inspeção
de
cascos
é
realizada
principalmente
por
mergulhadores especializados que realizam a inspeção visualmente ou instalam
manualmente os sensores nos pontos que precisam ser verificados. Também já
existem vários equipamentos desenvolvidos para esse fim, mas todos ainda
necessitam de auxílio humano. Esse serviço é de alta periculosidade, demorado
(leva-se cerca de 10 dias para se inspecionar um casco completo) e caro
(aproximadamente 180 mil dólares). Considerando isto, o mercado necessita de um
produto que realize esta tarefa com maior agilidade, facilidade, precisão e
principalmente menor custo.
5.5.4 TENDÊNCIAS DO MERCADO
Há uma tendência atual na área de inspeção de se automatizar as tarefas,
utilizando para isso, principalmente, soluções em robótica. Esta é uma solução
promissora para os casos de aplicações em ambientes hostis aos seres humanos,
serviços de longa duração ou que demandem grande esforço físico. Além disso,
também se observa a tendência da substituição de robôs complexos, em atividades
de risco para o homem, por dezenas de robôs mais simples. Assim, o impacto e o
prejuízo do problema apresentado pelo robô que a Agência Espacial NorteAmericana (Nasa) enviou para fazer inspeções em Marte seria menor se a missão
fosse formada por dez ou vinte robôs menos complexos. Outro exemplo de trabalho
coletivo é a busca de vítimas soterradas em escombros: a chance de um conjunto de
50 pequenos robôs encontrarem sobreviventes é maior do que a de um único robô.
Isso justifica o uso de robôs menores cada qual com um tipo de sensor para realizar
a inspeção, ao invés de um robô de grande porte, pouco ágil com um conjunto
148
completo. Até porque dependendo da superfície a ser analisada, alguns tipos de
sensores são dispensáveis e estariam somente aumentando o peso do robô.
5.5.5 CRESCIMENTO DO MERCADO
Esse mercado tem um enorme potencial de crescimento visto a preocupação
das empresas com o meio ambiente e segurança e também pela busca constante de
maiores rentabilidades.
5.5.6 ANÁLISE DA INDÚSTRIA
5.5.6.1
Players
Os competidores do mercado estão divididos basicamente em dois grupos:
grupos de pesquisa e empresas especializadas em inspeção de cascos de navios.
Entretanto, as empresas de inspeção têm a possibilidade de transgredir da condição
de concorrente para cliente.
5.5.6.2
Grupos de Pesquisa
Esses são os maiores concorrentes existentes no mercado, principalmente os
grupos especializados em desenvolver robôs escaladores para aplicações
relacionadas à inspeção de ambientes hostis ou de difícil acesso com mão-de-obra
humana. Alguns são de renome, como:
o Conselho Superior de Pesquisas Científicas (IAI-CSIC, ES)
Esse é considerado o principal grupo de pesquisa concorrente no
mercado, pois o Departamento de Controle Automático do Instituto de
Automação Industrial do CSIC, localizado na Espanha, tem como objetivo
principal fazer pesquisas sobre análises e desempenho de sistemas de
controle voltado para o desenvolvimento de robôs escaladores.
o Universidade da Catania (UoC, IT).
149
Nessa universidade, mais precisamente no departamento de elétrica
eletrônica e sistemas, existem vários projetos em desenvolvimento na área
de robótica.
o Centro de Pesquisa da Petrobrás (Rio de Janeiro) - CENPES
Esse é um grande concorrente do segmento já que tem como cliente
final também a Petrobrás. Além disso, é o centro de pesquisa e
desenvolvimento da própria empresa e, portanto tem muitas informações e
contatos preciosos para desenvolver esse tipo de robô.
5.5.6.3
Empresas de Inspeção
o Scubalab (sediada em São Paulo). Fornece os seguintes serviços:
Inspeção e reparos em estruturas flutuantes;
Serviços de busca e recuperação de objetos e salvatagem de
estruturas e embarcações;
Manutenção e instalação de poitas;
Limpeza de cascos;
Iluminação submarina de costeiras;
Projetos elétricos e hidráulicos submarinos;
Pesquisa de naufrágios p/ seguradoras;
Limpeza de estruturas submarinas;
Fotografia submarina;
Filmagem submarina e monitoramento de projetos.
o Hydratec Tecnologia Submarina Serviços Comércio e Indústria Ltda
(sediada no Rio de Janeiro).
Serviços de engenharia submarina em geral incluindo inspeção,
montagens, reparos, e manutenção;
Serviços de inspeção submarina com veículos ROV de pequeno porte;
150
Serviços
de
geo-posicionamento
hidroacústico
submarino
com
software de posicionamento, integração em tempo real DGPS tipo
TRACKPOINT;
Serviços de inspeção submarina ou terrestre com sistemas de vídeo
remoto com micro-câmeras especializadas;
Montagem, ajustes, reparos, e instalação e locação de sistemas de
vídeo 2D e 3D submarinos ou terrestres, incluindo câmeras, lentes,
objetivas e janelas ópticas, encapsulamentos e vasos de pressão,
fontes,
conectores,
cabos
umbilicais,
projetores
e
luminárias,
monitores, vídeo gravadores, posicionadores de pan & tilt, gravadores,
unidades de controle, multiplexadores, amplificadores de distribuição;
Montagem, ajustes e reparos de sistemas de intercomunicação
submarina;
Serviços de filmagem e edição e exibição de vídeos em 3D
(estereoscópicos);
Serviços de gravação, e edição profissional de vídeos em geral;
Desenvolvimento e pesquisa de sistemas de tele-presença (realidade
virtual);
Desenvolvimento e pesquisa de sistemas de posicionamento dinâmico
para ROV;
5.5.7 FORNECEDORES
Para a confecção de um robô com a finalidade de inspecionar cascos de
navio estão envolvidas diversas áreas e, portanto um número grande de
fornecedores.
Na parte mecânica existem as empresas que fazem corte a laser das placas
de alumínio ou Lexan®, e empresas para adquirir parafusos, chapas, molas e outros
componentes menores que compõe o sistema da pata.
151
Temos ainda a confecção do sistema eletromagnético da pata que exige um
fornecedor de barras de alumínio para fazer os carretéis dos eletroímãs, o núcleo de
aço e ainda a empresa que fornece os ímãs de terras raras.
Na parte eletrônica temos as empresas que fazem as placas de circuito
impresso, as que fazem a montagem e soldagem dos componentes e os
fornecedores de componente, que são de modo geral a Texas Instruments (através
de seus distribuidores), Farnell-Newark InOne e lojas de componentes eletrônicos
locais para aquisição de componentes mais comuns quando é necessário construir
um protótipo mais rapidamente sem depender da importação de todos os
componentes eletrônicos.
Para a inspeção são necessários os sensores e sistemas de leitura que
devem ser adquiridos de fornecedores do ramo, já que o produto da empresa é o
robô e não os sensores e, portanto essas tecnologias somente serão utilizadas e
não desenvolvidas.
Ainda podem ser citadas as plataformas para desenvolvimento de softwares,
que abrangem o software simulador e o de análise das informações coletadas.
Como o robô ficará conectado por um cordão umbilical, um fornecedor de
cabos, tanto de energia quanto de dados, se faz necessário.
5.6
ESTRATÉGIA E IMPLEMENTAÇÃO
5.6.1 DEFINIÇÃO DA OFERTA E DA PROPOSTA DE VALOR
Segundo informante do CENPES, para inspeção de cascos de navio, com os
equipamentos existentes hoje no mercado, utiliza-se uma equipe de mergulhadores
que custa R$ 10.000,00 (dez mil reais) por dia. Para um navio de grande proporção
o valor de uma inspeção pode chegar a R$ 300.000,00 (trezentos mil reais). Há de
se ressaltar que está se trabalhando com uma indústria que tem seus patamares de
preços inflacionados. Além disso, esse mercado é restrito e não é todo dia que é
fechado um contrato de inspeção já que se trata de um serviço caro, de grande porte
e as inspeções são feitas com intervalos de no mínimo dois anos.
São esses fatos, além do custo benefício que o produto apresenta, que forma
a proposta de valor de R$ 400.000,00 (quatrocentos mil reais).
152
Portanto, com a economia gerada pelo produto, certamente em duas
inspeções de grande porte o comprador terá recuperado o valor investido no
produto.
5.6.2 ESTRATÉGIA DE MARKETING
Toda criação de um produto exige uma boa estratégia de marketing antes de
sua colocação no mercado. Lançamentos de produtos de marcas já conhecidas são
facilmente inseridos no mercado pela tradição da empresa e não pela qualidade do
novo produto propriamente dito.
Quando se trata de um projeto novo, desenvolvido por uma equipe iniciante
com pouco capital para marketing, esse ponto passa a ser fundamental. Alavancar
rapidamente as vendas e a aceitação do mercado para uma nova marca são
cruciais, já que pouco tempo no mercado sem vendas pode ser fator decisivo entre o
sucesso e o fracasso de uma nova empresa.
Com isso a principal estratégia inicial de marketing é adentrar no segmento
alvo e obter o seu reconhecimento quanto à eficiência do produto.
5.6.2.1
Estratégia de Preços
Como os primeiros três anos serão determinantes tanto para a colocação do
produto no mercado quanto para o desenvolvimento de novos robôs, considerando a
situação atual do mercado e da economia, os preços apenas sofrerão um reajuste
de 10% (dez porcento) ao ano para compensar as perdas por inflação.
5.6.2.2
Estratégia de Promoção
Esse tipo de produto não necessita de uma estratégia de promoção já que
uma empresa com pretensão de comprá-lo sabe perfeitamente que se trata de um
produto de alto custo e com alto valor de retorno.
153
5.6.2.3
Estratégia de Vendas
A primeira estratégia de busca de mercado é conseguir uma venda com
alguma empresa grande do setor de petróleo, PETROBRAS preferencialmente, com
seu Centro de Pesquisa. Essa venda seria num formato de aliança, em que se
utilizariam testes práticos para aperfeiçoar e com isso formar um produto de
excelência, conseguindo através desta empresa tornar o produto conhecido no
mercado.
Tendo uma empresa deste porte assegurando a qualidade do equipamento e
indicando-o a outras empresas do setor facilitaria muito as vendas já que não seria
necessário provar para cada empresa qual a eficácia e vantagens de se adquirir o
produto.
5.6.3 PLANO DE VENDAS
TABELA 13 - Plano de vendas
ANO 1
ANO 2
ANO 3
SEMESTRES
1º
2º
1º
2º
1º
2º
Previsão de vendas de robôs
inspecionadores
1
2
3
4
4
4
5.6.4 ALIANÇAS ESTRATÉGICAS
Uma aliança estratégica é a com o Centro de Pesquisa da PETROBRAS –
CENPES - durante o desenvolvimento inicial e testes práticos, já que se trata de um
grupo que há algum tempo financia e testa equipamentos para essa finalidade,
tendo amplo conhecimento das dificuldades enfrentadas em uma inspeção de
qualidade.
O projeto já foi desenvolvido com acompanhamento da pessoa responsável
pelo setor de inspeção do CENPES que forneceu características e informações úteis
para que a idéia inicial do projeto já se adequasse às condições mínimas
necessárias para um bom produto. Inclusive muitas das informações relativas aos
produtos já existentes no mercado e que não são completamente satisfatórios foram
154
passadas por ele para que fossem analisadas e resolvidas, tornando o robô melhor
que o dos concorrentes.
Outra aliança importante é com um grupo extremamente forte, a CLAWAR
(Climbing and Walking Robots). A CLAWAR é uma rede temática que propõe
englobar os grupos de pesquisas, industriais e fabricantes de robôs, que estão
trabalhando em máquinas andantes e escaladoras, nas tecnologias de apoio (tais
como controle da forma de caminhar, sensores, atuadores, inteligência artificial e
nos aspectos relacionados com a viabilidade destes sistemas) e nas aplicações
especificas destas máquinas (incluindo a construção, as indústrias de off-shore e a
nuclear), de tal forma que a atividade global nessa área possa ser adequadamente
coordenada e que se adotem as medidas adequadas para maximizar o uso de
recursos em sua utilização futura.
Os participantes da rede temática são atualmente cerca de 64, espalhados
pelo mundo, tendo sua maior concentração na Europa com cerca de 51 membros,
seguido pela América com sete membros, sendo que destes membros somente 1
está localizado na América do Sul. Este situado no Brasil representado pelo Dr. Luiz
de Siqueira Martins Filho, o qual é Doutor em Robótica pela Universidade Paul
Sabatier - UPS (Toulouse, França) com tese preparada no Grupo de Robótica e
Inteligência Artificial - RIA do LAAS/CNRS (Toulouse, França), sendo Professor
Adjunto do Departamento de Computação, na Universidade Federal de Ouro Preto DECOM / ICEB / UFOP (Ouro Preto/MG, Brasil), trabalhando em Robótica e
Sistemas de Controle. Atualmente está desenvolvendo um projeto de pesquisa com
o seguinte tema: Dynamics Modelling and Control of Walking Robots, que propõe a
modelagem dinâmica e o controle de robôs móveis, o que não possui um
relacionamento direto com o projeto que está sendo desenvolvido.
5.7
GESTÃO
5.7.1 ESTRUTURA ORGANIZACIONAL
A empresa é composta por cinco sócios. Dois dos sócios serão responsável
por diretorias (marketing e administrativa), cada um coordenando e verificando todas
155
as necessidades daquela área. Os cincos são responsáveis pelas decisões maiores
da empresa e pelo desenvolvimento do produto.
5.7.2
EQUIPE
A equipe inicial será composta pelos cinco membros que desenvolveram o
projeto. São eles:
o Carlos Augusto Luguesi;
o Jean George Boss;
o Marcos Vinícius Freitas;
o Rafael José Daciuk;
o Renato Leite Urzedo.
Essa equipe será mantida até o término do primeiro produto. Adquirindo
mercado, serão contratados mais funcionários (engenheiros e estagiários) para
efetuar a montagem dos robôs, tanto da parte mecânica quanto da elétrica e
eletrônica assim como realizar os testes padrões em bancada.
Com o crescimento da empresa, profissionais para as áreas de administração
e de marketing deverão ser contratados.
Dessa forma, prevê-se um crescimento de 30% ao ano nas despesas com
mão de obra somente nos primeiros anos.
5.8
PLANO FINANCEIRO
5.8.1 PROGRAMA DE VENDAS
TABELA 14 - Programa de vendas
DESCRIÇÃO/SEMESTRES
Quantidade de robôs vendidos
Preço de Venda
Receita de Vendas(Sem IPI)
IPI
Receita Bruta
ANO 1
1º
2º
1
2
400.000 400.000
400.000 800.000
40.000
80.000
440.000 880.000
ANO 2
1º
2º
3
4
440.000
440.000
1.320.000 1.760.000
132.000
176.000
1.452.000 1.936.000
ANO 3
1º
2º
4
4
484.000
484.000
1.936.000 1.936.000
193.600
193.600
2.129.600 2.129.600
156
Projeção de Vendas
Faturamento Líquido (R$)
2.500.000
2.000.000
1.500.000
1.000.000
500.000
0
1-1
1-2
2-1
2-2
3-1
Ano-Semestre
FIGURA 110 - Gráfico da projeção de vendas
3-2
157
5.8.2 CUSTOS OPERACIONAIS
TABELA 15 - Custos operacionais
DESCRIÇÃO\SEMESTRE
1. Custo Variável de Produção
1.1 Matéria Prima
1.2 Gastos Gerais (Luz, Água,
Telefone,...)
1.3 Eventuais (2%)
Total Parcial
2. Custo Fixo de Produção
2.1 Mão-de-Obra + Encargos
2.2 Seguro
2.3 Manutenção
2.4 Eventuais
Total Parcial
CUSTO DE PRODUÇÃO
3. Despesa Geral Variável
3.1 Comissão de Vendedores
3.2 Eventuais
Total Parcial
4. Despesa Geral Fixa
4.1 Despesas Administrativas
4.2 Despesas de Desenvolvimento
4.3 Eventuais
Total Parcial
5. Impostos Proporcionais
5.1 IPI
5.2 PIS / FINSOCIAL
5.3 ICMS
5.4 Eventuais
Total Parcial
CUSTO GLOBAL
ANO 1
1º
2º
ANO 2
1º
ANO 3
2º
1º
2º
20.000
40.000
60.000
80.000
80.000
80.000
7.440
7.812
8.203
8.613
9.043
9.496
549
48.697
956
62.610
1.364
69.567
1.772
90.385
1.781
90.824
1.790
91.285
192.000 220.800 330.096
3.500
5.500
7.500
2.000
4.000
6.600
3.950
4.606
6.884
201.450 234.906 351.080
250.147 297.516 420.647
493.494
9.500
8.800
10.236
522.029
612.414
737.773 1.102.970
9.500
9.500
9.680
9.680
15.139
22.443
772.092 1.144.593
862.916 1.235.879
0
0
0
0
0
0
39.600
792
40.392
52.800
1.056
53.856
58.080
1.162
59.242
58.080
1.162
59.242
12.000
22.000
680
34.680
13.200
22.000
704
35.904
15.840
30.000
917
46.757
19.008
30.000
980
49.988
22.810
30.000
1.056
53.866
27.372
30.000
1.147
58.519
40.000 80.000 132.000 176.000 176.000 193.600
8.000 16.000 26.400
35.200
35.200
38.720
68.400 136.800 226.800 302.400 302.400 334.080
2.328
4.656
7.704
10.272
10.272
11.328
118.728 237.456 392.904 523.872 523.872 577.728
403.555 570.876 900.699 1.240.131 1.499.895 1.931.367
158
5.8.3 PROJEÇÃO DE RESULTADOS
TABELA 16 - Demonstrativo de resultados
ANO 1
DESCRIÇÃO/SEMESTRE
Faturamento Bruto
Impostos sobre Vendas
Faturamento Líquido
Custo de Produção
Despesas
Resultado Operacional
Amortização Depreciação
Resultado Bruto
IR/CSSL
Resultado Líquido
1º
440.000
40.000
400.000
250.147
34.680
115.173
15.000
100.173
25.043
75.130
ANO 2
2º
1º
880.000 1.452.000
80.000
132.000
800.000 1.320.000
297.516
420.647
35.904
87.149
466.580
812.205
15.000
15.000
451.580
797.205
112.895
199.301
338.685
597.903
ANO 3
2º
1.936.000
176.000
1.760.000
612.414
103.844
1.043.741
15.000
1.028.741
257.185
771.556
1º
2.129.600
193.600
1.936.000
862.916
113.107
959.977
15.000
944.977
236.244
708.732
2º
2.129.600
193.600
1.936.000
1.235.879
117.761
582.361
15.000
567.361
141.840
425.520
Projeção de Resultados
900.000
Resultado Líquido (R$)
800.000
700.000
600.000
500.000
400.000
300.000
200.000
100.000
0
1-1
1-2
2-1
2-2
3-1
3-2
Ano-Sem estre
FIGURA 111 - Projeção de resultados
5.8.4 RETORNO DO INVESTIMENTO
O investimento inicial da empresa está orçado principalmente no valor do
desenvolvimento do produto. O componente mais significativo é a mão-de-obra, que
corresponde à dos cinco engenheiros, durante 2000 horas cada um.
159
TABELA 17- Investimento inicial
GASTOS
Máquinas/
Equipamentos
Valor(R$)
30.000,00
Parte Mecânica
2.500,00
Hardware
Software
Mão de Obra
TOTAL
50.000,00
15.000,00
400.000,00
497.500,00
Dessa forma, o investimento inicial da empresa está orçado em R$
497.500,00 (quatrocentos e noventa e sete mil e quinhentos reais).
O gráfico com o resultado líquido acumulado é apresentado a seguir.
Análise do Retorno do Invesimento
Resultado Líquido Acumulado(R$)
3.500.000
3.000.000
2.500.000
2.000.000
1.500.000
1.000.000
500.000
0
1-1
1-2
2-1
2-2
3-1
3-2
Ano-Sem estre
FIGURA 112 - Análise do retorno do investimento
Portanto, o retorno do investimento, ou seja, o momento em que o resultado
acumulado superará o investimento, corresponde ao 1º semestre do 2º ano de
funcionamento da empresa.
160
6
CONCLUSÃO
O sistema e o software foram modelados em linguagem UML. Com a
modelagem do sistema foi possível visualizar com maior clareza as funcionalidades
e a seqüência de operação do robô. A modelagem do software proporcionou uma
padronização do código e uma grande velocidade de implementação do
Simulador/Controlador e do software embarcado. No Simulador/Controlador
importantes algoritmos foram implementados para a geração da trajetória do robô e
da trajetória das patas. A interface gráfica apresentou-se amigável, com a utilização
de botões padrão Windows XP. Além disso, através de uma poderosa API, a
OpenGL, desenvolveu-se uma visualização da simulação do robô muito eficiente
computacionalmente e com ótima aparência.
A etapa inicial da modelagem dos movimentos do robô foi resolver a
cinemática direta e a inversa das patas que neste escopo são tratadas como braços
mecânicos amplamente discutidos na literatura. Essa modelagem foi tratada no item
3.2.5. Com a direta determinou-se a posição e orientação do extremo de uma pata,
em relação a um sistema de coordenadas de referência, em função dos valores das
suas coordenadas articulares. Já a inversa representa o inverso da primeira, ou seja,
determina os valores das coordenadas articulares em função da localização extrema
do membro.
A modelagem dos movimentos do robô foi dividida em modos e marchas de
caminhar, que mais do que uma divisão conceitual das características do movimento
proporcionou uma facilidade na concepção do software o qual, neste ínterim, atingiu
níveis elevados de re-utilização de código. Nos modos modelou-se a orientação e o
sentido do movimento e nas marchas a cadência com que o robô executa a
caminhada, levando em consideração o desempenho do robô quanto à velocidade
de deslocamento, estabilidade do movimento e capacidade de carga do robô seja
ela proporcionada pela variação de massa do robô ou pela variação de ângulo do
robô em relação à direção de ação da força de gravidade.
O trajeto das patas foi implementado baseado em um retângulo discretizado
em função dos parâmetros de movimento e dos parâmetros da ordem do robô,
assim obtém-se um trajeto com um número de pontos variável. Cada um dos pontos
do trajeto possui três vetores, o primeiro armazena as coordenadas cartesianas, o
segundo as coordenadas articulares e o terceiro os tempos dos PWM’s, esses sendo
161
encontrados através da cinemática direta e inversa, e de uma função que faz a
conversão de ângulos em radianos para tempo de PWM, em ms.
De posse dos n pontos do trajeto para cada pata e dois seus respectivos
equivalentes em período alto do sinal PWM de controle dos motores o desafio foi
fazer rodar, em software, o gerador desses sinais. A resolução deste problema
através de um algoritmo específico, da forma como foi concebido, diminuiu a
possibilidade de implementações futuras, mas obteve resultados excelentes e baixo
jitter.
Na concepção do robô propriamente dito, muitos artigos e materiais
encontrados principalmente na internet foram pesquisados a respeito de robôs que
se locomovem em superfícies ferromagnéticas. Alguns desses robôs tem até o
mesmo propósito: inspeção de cascos de navios, como é o caso do robô
apresentado na FIGURA 2 e o da FIGURA 3 desenvolvido pelo CENPES (Centro de
Pesquisa da Petrobrás).
Ambos foram profundamente estudados por se tratarem de concorrentes em
potencial para o projeto desenvolvido, mas também por serem laboratórios de
pesquisa especializados nesse tipo de aplicação. Isso garante que as soluções
utilizadas por eles devem ser consideradas importantes por terem sido muito
estudadas, desenvolvidas e testadas na prática.
No item 3.3.1 que trata da escalabilidade foram tratadas todas as
considerações necessárias para tomar a decisão da melhor forma de locomoção
dentre as três possíveis para o escopo em questão. Eram elas: patas, rodas ou
esteira sendo que combinando vantagens e desvantagens de cada uma e atribuindo
um certo peso para cada aspecto, o modelo com patas foi considerado o mais
interessante e, portanto foi o adotado nesse projeto.
Para escolher o tipo de fixação a ser desenvolvida e implementada, por se
tratar de superfícies ferromagnéticas, o princípio magnético foi considerado mais
interessante que outro sistema como, por exemplo, o uso de ventosas.
O estudo das propriedades industriais teve foco em dois pontos bem
específicos: robôs escaladores e fixadores eletromagnéticos, ambos descritos no
item 2.3. Em uma primeira pesquisa nada foi encontrado sobre fixadores
eletromagnéticos com um princípio semelhante ao pensado para esse projeto. Com
isso surgiu uma possibilidade de desenvolver esse módulo do projeto e patentear.
Mas quando estava praticamente pronto o sistema de fixação utilizado no robô uma
162
patente alemã parecida foi encontrada. A aplicação é diferente, porém o princípio o
mesmo: um eletroímã anulando o campo magnético de um ímã natural.
Esse sistema desenvolvido foi descrito passo a passo no item 3.3.4, desde a
idéia inicial de se usar um eletroímã simples, porém com um consumo de corrente
elevado, considerando que o tempo de uma inspeção é bastante longo até o modelo
final adotado que consiste em um sistema imã-eletroímã.
O modelo final se mostrou eficiente já que consegue sustentar o peso do robô
sem consumir nenhuma energia elétrica quando parado e no momento que está se
locomovendo são aplicados pulsos de 100ms capazes de anular o efeito do campo
magnético do imã permanente fazendo com que a pata se solte com um consumo
baixo de potência.
Para a implementação do sistema de controle proposto, vários módulos de
hardware tiveram que ser projetados. Foi construída uma fonte específica para as
necessidades de alimentação do robô, devido ao alto consumo dos motores.
Também foram desenvolvidas placas de circuito impresso voltadas à aplicação em
questão. Algumas das placas confeccionadas são de grande complexidade, exigindo
um estudo prévio para seu desenvolvimento, como é o caso da MotherBoard,
apresentada no item 3.4.2.1 deste relatório, além de terem sido feitas muitas
conferências nos esquemáticos desta, uma vez que seu custo é elevado e não
permitia erros de projeto. Tal desenvolvimento proporcionou aos membros da equipe
uma nova experiência em desenvolvimento de hardware não contemplado no curso
como um todo. Também foi necessária uma pesquisa de fornecedores e prestadores
de serviço capacitados para confeccionar e montar as placas projetadas.
Mesmo após a necessidade de alguns re-projetos e/ou alterações nos
módulos de hardware, comprovou-se o seu funcionamento correto, inclusive quando
feita a integração entre todos os subsistemas.
No que diz respeito aos testes de escalabilidade, os resultados nem podem
ser analisados como satisfatórios ou não visto que os motores necessários para uma
locomoção na vertical não chegaram a tempo de serem montados e testados. Com
os motores adquiridos juntamente com o robô foi conseguido andar para frente e
para trás em superfícies com inclinação máxima de aproximadamente 25°. Fazendo
alguns cálculos com os valores obtidos, certamente o motor mais forte seria
suficiente para uma perfeita escalabilidade.
163
Na gestão do projeto inúmeras dificuldades foram encontradas. Não por não
terem sido previstas, mas pelo fato de o cronograma inicial ter sido bastante
alterado. O fator causador desse atraso foi a ocorrência do maior risco previsto que
era o atraso na importação do robô e de alguns componentes eletrônicos. Apesar de
previstos e como sendo de maior risco, o atraso foi maior que o imaginado e isso
acarretou um atraso em todas as demais etapas do desenvolvimento.
Além do atraso da importação mais alguns problemas surgiram e partes do
projeto consideradas prontas em um determinado ponto tiveram que ser alteradas no
momento de se juntar com outro módulo, aumentando o tempo de desenvolvimento.
Mas de maneira geral, como o cronograma inicial foi planejado com dois
meses de tolerância, já que o projeto terminaria em dezembro para ser entregue e
apresentado em fevereiro, foi possível terminar todas as partes sem comprometer
em nada o resultado final apresentado para a disciplina de Projeto Final do curso de
Engenharia Industrial Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
No Plano de Negócios foi apresentada a empresa BR_ROBOTiCS!,
provedora de soluções em robótica móvel para serviços de inspeção. O produto
chave da empresa é o “Robô para Inspeção de Cascos de Navios”. Este produto é
constituído por dois grandes módulos: O sistema portador dos instrumentos de
inspeção (robô) – resolvido em grande parte pelo protótipo apresentado neste
trabalho; e o sistema de inspeção propriamente dito objeto da próxima etapa do
desenvolvimento. No plano também foi definido claramente o mercado que a
empresa pretende atingir e os seus competidores. Ao final foi verificada a excelente
velocidade de retorno que a empresa propiciará ao investidor: pouco mais de um
ano.
164
REFERÊNCIAS BIBIOGRAFICAS
1. Armada, M. and Gonzalez de Santos, P. (2001), “Climbing and walking robots for
the maritime industries”.
2. Gonzalez de Santos, P., Armada, M. and Jimenez, M.A. (1997), “A industrial
walking machine for naval construction,” IEEE International Conference on
Robotics and Automation, Albuquerque, pp. 28-33.
3. Cynthia Ferrel (1994), “Robust and Adaptive Locomotion of an Autonomous
Hexapod”, IEEE International Conference on Robotics and Automation.
4. Armada, M. and
Gonzalez de Santos, P. (1997), “Climbing, walking and
intervention robots”, Insdustrial Robot, vol.24, n.2, pp.158-163.
5. Armada, M., Gonzalez de Santos, P.,Prieto,M., and Grieco, J.C. (1998), “RESET:
A Six-legged Climbing Robot”, European Mechanics Colloquium, Euromech 375,
Biology and Technology of walking, pp. 159-164.
6. Gonzalez de Santos, P., Armada, M., and Jiménez, M.A. (1997), “An Industrial
Walking Machine for Naval Construction”, European Mechanics Colloquium,
Euromech 375, Biology and Technology of walking, pp. 159-164.
7. Michael R. Fielding_‡, Christopher J. Damaren† and Reg Dunlop, “Hamlet:
Force/Position Controlled Hexapod Walker Design and Systems”
8. Farlei José Heinen(2002), “Sistema de Controle Híbrido para Robôs Moveis
Autônomos”, São Leopoldo, Mestrado em Computação Aplicada – PIPCA
9. Rede temática Clawar: http://www.clawar.com/home.htm
10. Scubalab: http://www.geocities.com/scubalab/portfolio.html
11. Hydratec: http://www.hydratec.com.br
12. Fonte: Revista Contramarco - ano II - No. 16 - Junho/2001, por Sérgio Freitas
13. Lynxmotion Inc.: http://www.lynxmotion.com
14. Robotic Crust Crawler Design & Development: http://www.crustcrawler.com
15. ComCiência: http://www.comciencia.br/reportagens/2005/10/08.shtml
16. Hellix,
Componenstes
Builder
5,6
para
implementar
o
OpenGL:
http://www.hellix.com/Products/TOpenGL.asp
17. UFSC, Tutorial de OpenGL: Como instalar as dlls e libs necessárias:
http://www.inf.ufsc.br/~awangenh/CG/apostilas/openGL/cbuilder.html
18. CRAIG, John J. – Introduction to Robotics Mechanics and Control – Ed. AddisonWesley Publishing Company, Massachusetts EUA.
165
ANEXOS
ANEXO A
1
ENSAIO NÃO DESTRUTIVO
Ensaio não destrutivo (END) pode ser definido como o uso de métodos não-
invasivos para definir a integridade de um material, componente ou estrutura ou
quantitativamente medir alguma característica do objeto. Isto é inspecionar ou medir
sem danificar.São muitos os tipos de ensaios não destrutivos e entre eles pode-se
citar: ensaio visual, detecção de vazamento, emissão acústica, ultra-som, vazamento
de fluxo magnético, micro ondas, raios x, medidas magnéticas, interferometria a
laser, termografia, partículas magnéticas, microscopia acústica, líquidos penetrantes,
réplicas metalográficas, correntes parasitas, etc.
Esse tipos de ensaios são usados para diversas finalidades, entre elas:
detecção e avaliação de descontinuidades, detecção de vazamento, determinação
da localização da descontinuidade, realização de medidas na peça, caracterização
estrutural ou microestrutural, estimativa das propriedades físicas e mecânicas,
medidas de tensão (deformação) e de resposta dinâmica da peça ou estrutura,
separação de materiais e determinação da composição química.
Ao contrário do que se possa imaginar, esses ensaios não são usados
somente para detectar problemas depois que a peça está pronta e com algum tempo
de uso, na forma de manutenção preventiva ou até mesmo no momento de se fazer
uma manutenção corretiva após a ocorrência de uma falha. Existem aplicações dos
END em quase todos os estágios de fabricação ou ciclo de vida de um componente,
ajudando no desenvolvimento de um produto, para determinar a especificação de
um material em um grupo de materiais recebidos, para controlar, melhorar e
monitorar um processo de fabricação, para atestar a execução adequada de uma
etapa do processo de fabricação como o tratamento térmico, para verificar a
montagem adequada de componentes de um conjunto e na inspeção para detecção
de eventuais danos (desgaste) em serviço.
No caso de inspeções de cascos de navio que é a aplicação de interesse
desse projeto desenvolvido, os métodos mais usuais e relevantes são ensaio visual,
ultra-som, correntes parasitas e radiografia. A seguir está uma breve descrição de
cada método.
1.1
INSPEÇÃO VISUAL
É o método mais comum e básico. São usadas ferramentas auxiliares que
incluem: fibroscópios, boroscópios, câmeras filmadoras, lentes de aumento e
espelhos. Robôs portadores de câmeras filmadoras (FIGURA ANEXA 1) permitem a
observação em áreas perigosas e restritas como dutos de ar, reatores e tubulações
regiões submersas e ambientes hostis.
Baseado em inteligência artificial usando redes neurais já é possível que esse
método seja controlado por computador baseado na comparação entre uma imagem
padrão que deveria ser encontrada e a imagem captada pela câmera. Assim não é
necessário que um operador fique acompanhando através de um monitor se a
região que está sendo filmada está aceitável ou não.
FIGURA ANEXA 1 - Robô portador de câmera filmadora para inspeção visual
1.2
RADIOGRAFIA
A radiação (onda eletromagnética) usada na inspeção radiográfica possui alta
energia (pequeno comprimento de onda) quando comparada com a luz visível. Essa
radiação é produzida por um gerador de Raios-X ou por uma fonte radioativa.
A peça é posicionada entre a fonte de radiação e o filme. A peça absorverá
uma certa quantidade de radiação.
Regiões mais espessas ou mais densas
absorverão mais radiação. O grau de enegrecimento (densidade) variará com a
quantidade de radiação que atinge a película de filme após ser absorvido pela peça.
Um esquema desse sistema pode ser visto na FIGURA ANEXA 2.
Filme de Raio-X
Vista de Topo do Filme Revelado
FIGURA ANEXA 2 - Esquema do sistema de inspeção por radiação de Raios-X
1.3
CORRENTES PARASITAS:
O ensaio é particularmente aplicável para detecção de trincas superficiais,
mas também pode ser aplicado na medida de condutividade e de revestimentos
protetores. Na FIGURA ANEXA 3 aparece a varredura de uma pequena sonda na
superfície de uma peça para detecção de trincas porventura existentes.
FIGURA ANEXA 3 - Ensaio não destrutivo usando correntes parasitas
1.4
ULTRA-SOM:
Ondas sonoras de alta freqüência são introduzidas no material e refletidas a
partir das superfícies ou descontinuidades existentes na peça. A energia refletida
pelas superfícies refletoras é apresentada em gráficos (energia sonora “versus”
tempo), e o inspetor pode inferir a seção transversal da peça mostrando as
profundidades das superfícies refletoras de som.
Imagens de alta resolução podem ser produzidas pela “plotagem” da
intensidade do sinal ultra-sônico ou do tempo de trânsito empregando sistema de
inspeção controlado por computador.
pulso inicial
Eco da
trinca
Eco da
Superficie
oposta
trinca
0
2
4
6
8
10
chapa
FIGURA ANEXA 4 - Esquemático se inspeção por ultra som
Robôs escaladores com sensores ultra-sônicos, tal como o mostrado na
FIGURA ANEXA 5 são usados para inspecionar as paredes de grandes tanques
(detecção de corrosão).
FIGURA ANEXA 5 - Robô escalador portador de equipamento de ultra-som
ANEXO B
2
ANEXO
B
–
DESCRIÇÃO
DO
FUNCIONAMENTO
DO
SIMULADOR
CONTROLADOR
Ao executar o software, a primeira janela que aparece ao operador é a de
opção pelo modo simulador ou controlador, conforme FIGURA ANEXA 6. Nessa
janela o operador deve clicar em um dos dois botões correspondentes ao modo
desejado.
FIGURA ANEXA 6 - Janela de Abertura
2.1
SIMULADOR
2.1.1 PARAMETRIZAÇÃO DO ROBÔ
Ao optar pelo modo simulador a próxima janela que se abre ao operador é a
de parametrização do robô, FIGURA ANEXA 7. Alguns valores já são propostos ao
operador. Caso ele deseje alterá-los, basta entrar com novos valores nas caixas
correspondentes.
FIGURA ANEXA 7 - Janela de parametrização do robô
2.1.2 JANELA PRINCIPAL
Após ter parametrizado o robô a janela principal do programa é mostrada,
conforme FIGURA ANEXA 8.
FIGURA ANEXA 8 - Janela principal do software
Nesta janela o operador vai poder configurar todos os parâmetros de uma
ordem, solicitar comandos do robô, visualizar graficamente o seu movimento e de
suas patas, a trajetória que esta percorrendo, além dos valores calculados da
distância percorrida, da distância do ponto de origem e da sua posição (x,y),
considerando a coordenada (0,0), o ponto de onde o robô partiu.
2.1.3 CONFIGURAÇÃO DA ORDEM
Para a simulação, primeiramente o operador deve configurar uma ordem.
Duas maneiras são possíveis: a primeira utilizando uma ordem pré-configurada, em
que o operador acessa através do menu “Ordens pré-configuradas” (FIGURA
ANEXA 9); a segunda configurando parâmetro por parâmetro, utilizando os botões
logo abaixo do menu. Estes botões ao serem clicados abrem um pequeno painel
que dispõem as possíveis configurações para os parâmetros em questão. Na é
apresentada a tela com todos os painéis da janela abertos.
FIGURA ANEXA 9 - Ordens pré-configuradas
FIGURA ANEXA 10 - Janela principal do software com os painéis ativados
A seguir serão apresentados os parâmetros e configurações, com seus
respectivos botões.
o Superfície
Parâmetro responsável pela seleção da superfície.
Superfície Normal: Indica uma superfície normal, com bom
atrito, sem grandes inclinações.
Superfície Ferro-magnética: Indica uma superfície com
propriedades ferromagnéticas.
FIGURA ANEXA 11 - Seleção da superfície
o Modo
Parâmetro responsável pela seleção do modo de caminhar.
Modo Normal: Modo em que o robô pode se deslocar para
frente ou para trás. Este modo pode ser utilizado para
qualquer uma das superfícies selecionadas.
Modo Crab: Modo em que o robô se desloca para os lados,
como se fosse um caranguejo. Este modo também pode ser
utilizado para qualquer uma das superfícies.
Modo Rotação: Modo em que o robô gira, tanto no sentido
horário como anti-horário, em torno do seu eixo normal.
FIGURA ANEXA 12 - Seleção do modo
o Marcha
Parâmetro responsável pela seleção da marcha do robô.
Marcha Wave: Marcha em que se é mantido, em qualquer
instante de tempo, cinco patas em contato com a superfície.
Marcha Ripple: Marcha em que se é mantido, em qualquer
instante de tempo, quatro patas em contato com a superfície.
Marcha Tripod: Marcha em que se é mantido, em qualquer
instante de tempo, três patas em contato com a superfície.
Marcha Climb: Marcha semelhante a marcha wave, apenas
diferindo na ordem em que as patas são levantadas.
FIGURA ANEXA 13 - Seleção da marcha
o Parâmetros da Ordem
Corresponde a todos os demais parâmetros de uma ordem.
Altura do Robô: Configura a altura desejada entre o corpo
do robô e a superfície.
Altura de Retorno: Configura a altura de retorno das patas
desejado.
Abertura: Configura a abertura das patas, ou seja, a
menor distância entre a parte da pata em contato com a
superfície e o eixo normal que cruza sua extremidade
mais próxima ao corpo, ou seja, entre o seu “ombro” e
seu “pé”.
Passos da Tração: Configura a distância dos passos das
patas em contato com a superfície (sofrendo tração) .
Ângulo Crab: Configura o ângulo, em graus, das patas no
modo Crab. Considerando 0º a pata ortogonal ao plano
vertical
PEA: Configura a posição etrema anterior. No modo de
caminhar em frente, esta linha denota o alvo que a pata
deve alcançar para iniciar o movimento de propulsão
PEP: Configura a posição extrema posterior (PEP). No
modo de caminhar em frente, esta linha denota o alvo que
a pata deve alcançar no final do movimento de propulsão
FIGURA ANEXA 14 - Parâmetros da ordem
Um painel ao lado direito da janela dispõe as informações da ordem
configurada - FIGURA ANEXA 15
FIGURA ANEXA 15 - Painel de informações da ordem
2.1.4 COMANDOS
Após a ordem ser inserida serão habilitados os comandos do robô (para
frente, trás, esquerda, direita) conforme for o modo configurado - FIGURA ANEXA
16.
Modo Normal
Modo Crab
Modo Rotação
FIGURA ANEXA 16 - Painel de comandos
2.1.5 CONFIGURAÇÕES DA VISUALIZAÇÃO
A visualização dos movimentos do robô é realizada através da janela gráfica FIGURA 106.
O software também dispõe de uma configuração do ângulo de visão. Isso é
realizado através do painel acessado através do botão Visualização - FIGURA
ANEXA 17.
FIGURA ANEXA 17 - Painel de rotação do ângulo de visão
Na FIGURA ANEXA 18 é apresentado a visualização do robô de dois ângulos
diferentes
FIGURA ANEXA 18 - Ângulo de visualização
Na parte inferior da janela é possível configurar a taxa de atualização do
desenho, FIGURA ANEXA 19. Conforme a performance da máquina e da ordem
configurada essa taxa deve ser modificada para uma melhor visualização da
movimentação do robô.
FIGURA ANEXA 19 - Painel de configuração da taxa de atualização do desenho
2.1.6 TRAJETÓRIA DO ROBÔ
A trajetória do Robô, que é determinada a partir da sua movimentação, pode
ser visualizada através de uma janela gráfica, conforme FIGURA ANEXA 20
FIGURA ANEXA 20 - Painel de visualização gráfica da trajetória do robô
O software também dispõe dos cálculos da distância percorrida, da distância
da origem e da sua posição (x,y), considerando o ponto (0,0) o ponto de partida.
Eles são apresentados em um painel, conforme FIGURA ANEXA 21. Ao clicar no
campo “limpar” a trajetória é reiniciada, limpando a tela gráfica de visualização e os
valores do painel.
FIGURA ANEXA 21 - Painel dos cálculos da trajetória
2.2
CONTROLADOR
Como já foi dito, o módulo controlador é muito similar ao módulo simulador.
O controlador é ativado quando o operador escolhe este modo na janela de
abertura - FIGURA ANEXA 6. Após esta seleção uma nova janela será aberta,
conforme a FIGURA ANEXA 22, questionando se o mesmo deseja ativar a
simulação para visualização ou não.
FIGURA ANEXA 22 - Janela de escolha da ativação da simulação
O procedimento de inserir a ordem é o mesmo que o descrito no modo
simulador, bem como a disponibilidade dos comandos. Caso a opção “com
simulação” seja escolhida, as mesmas janelas do simulador, referentes a
configuração e visualização da trajetória serão apresentadas.
2.2.1 COMUNICAÇÃO COM A SERIAL
A diferença do modo simulador e controlador está na funcionalidade da
comunicação com a serial. Este modo dispõe de um botão que permite a conexão e
desconexão, bem como um status com a indicação da situação da comunicação FIGURA ANEXA 23. Este status é atualizado freqüentemente através de uma
verificação que o software executa no sentido de confirmar se a comunicação serial
continua ou não ativa. Isto é realizado através de um timer que de tempos em
tempos envia um comando ao robô e aguarda a resposta. Caso esta resposta seja
muito demorada é indicado que a conexão caiu. Neste meio tempo o próprio robô
também percebe, o que faz com que ele vá para um estado neutro.
Botão
Comunicação/Desconexão
Barra de Status
FIGURA ANEXA 23 - Botão e status da comunicação serial