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A estrutura de projetos de robótica e mecatrônica (MEC320)

Este texto foi obtido em uma edição antiga do meu livro Robotics, Mechatornics and Artificial Intelligence (*) publicado nos Estados Unidos em 2002 (esgotado). Os upgrades foram feitos usando novas tecnologias. 

 

 
 

(*) Uma nova edição em português, em espanhol e em inglês está sendo preparada com a finalidade de atender as modificações impostas no ensino de tecnologia no nível médio pelo BNCC (Base Comum Curricular) de 2018 e pelo STEM do programa americano semelhante aprovado em 2015 e analisado desde 2009.

 

  Nosso ponto de partida é a ideia de que robôs e dispositivos mecatrônicos são máquinas que usam eletrônica e mecânica em combinação, e que são criados para executar tarefas normalmente realizadas por pessoas. A partir dessa suposição básica, podemos separar as funções necessárias em blocos. A estrutura geral é mostrada na Figura 1.

   O número e a seleção de blocos usados em um projeto específico são determinados pelo resultado final previsto pelo projetista. Um braço fixo, por exemplo, ou um elevador automático não precisa de rodas ou pernas. Uma cabeça com olhos eletrônicos programados para "ver" e detectar coisas não precisa de armas. Os blocos comuns usados ??em todos os projetos são descritos abaixo.

 

Controle

   Este é o "cérebro" de qualquer projeto em um sistema robótico ou mecatrônico. Todas as partes elétricas de um robô ou qualquer outro projeto são controladas por circuitos eletrônicos.

Os controles básicos para robôs e projetos mecatrônicos são os seguintes.

(a) Controle de posição. Braços com garras ou outros manipuladores de objetos devem ter controles precisos para colocá-los na posição correta. O movimento de uma cabeça com os olhos é controlado por um bloco de controle de um eixo.

(b) controle cinemático. Qualquer projeto com partes móveis precisa desse tipo de controle.

A velocidade de qualquer parte móvel deve ser determinada e controlada com precisão pelos circuitos. Um dos controles mais importantes deste grupo rege a velocidade do motor que move um robô

(c) controle dinâmico. Muitas partes de um robô ou projeto mecatrônico incorporam forças que devem ser controladas durante a operação. Quando a pegada de um robô manipula um objeto, é necessário usar algum tipo de controle que determine qual o grau de força necessário para agarrar o objeto com firmeza sem quebrá-lo. Um desafio real para o construtor do projeto é construir um braço robótico que possa pegar um ovo de um cesto e colocá-lo em outro sem quebrá-lo. Tais tarefas exigem controle dinâmico preciso.

d) Controle adaptativo. O controle adaptativo é necessário quando uma função de um robô ou dispositivo mecatrônico deve mudar durante a execução de um processo. Um exemplo é a necessidade de maior força de preensão ao pressionar contra uma mola.

   Mais força é necessária quando a mola é comprimida. Outro exemplo de controle adaptativo é a aplicação de mais potência a um motor para manter uma velocidade constante, como quando um robô se move de um terreno plano para um declive ou quando deve mover um objeto pesado.

(e) Controle externo. Controles externos são usados quando um operador humano é usado para comandar todas as tarefas de um robô. O humano é o “cérebro” e usa esses sensores (sentidos) como visão no controle das operações do robô.

   Para transferir comandos para um robô ou dispositivo mecatrônico, o operador pode usar uma variedade de “interfaces”. As opções básicas são links que empregam rádio, infravermelho (IR), fios e até mesmo comandos de voz. Projetos modernos podem incluir circuitos de reconhecimento de voz para receber pedidos diretamente de um operador. Um computador também pode ser usado para interligar a unidade de controle e o robô ou dispositivo mecatrônico.

   Neste ponto, é importante considerar o grau de inteligência que pode existir em um robô. Controles complexos podem dar ao observador a falsa impressão de que o robô é “inteligente”. No entanto, um bloco de controle que emprega muitas funções não é um bloco inteligente. A inteligência pode ser adicionada se o robô tiver que tomar decisões com base na entrada de seus próprios sensores ou de um operador que emprega um bloco de entrada de dados específico.

 

Figura 1 Organização básica de um projeto em mecatrônica ou robótica.
Figura 1 Organização básica de um projeto em mecatrônica ou robótica.

 

 

Atuadores

   Robôs e máquinas mecatrônicas devem ter alguma maneira de manipular objetos ou realizar algum tipo de ação no mundo externo. Como descrito abaixo, muitos tipos de atuadores são encontrados em projetos práticos.

 

Movimento

   Os robôs podem se mover de um lugar para outro usando pernas, rodas ou trilhas. As pernas podem ser movidas usando motores, solenóides ou ligas com memória de formato * (SMAs).

 

Manipulação

   Robôs e dispositivos mecatrônicos não têm mãos. Eles usam garras para manipular objetos e essas garras são controladas por circuitos eletrônicos. O movimento das garras pode ser acionado com solenóides, motores ou SMAs. A figura 2 mostra alguns tipos de garras.

 

Figura 2 - Vários tipos de garra.
Figura 2 - Vários tipos de garra.

 

   

A manipulação também pode ser efetuada usando equipamentos especialmente projetados para uma tarefa específica, como vemos em muitos robôs industriais. Em muitas aplicações, peças mecanicamente acopladas podem ser adaptadas para se ajustar ao tamanho e à forma de qualquer objeto que precise ser manipulado. Isto é sugerido pela Figura 3.

 

Figura 3 - Manipulador adaptado para o tamanho e forma do objeto
Figura 3 - Manipulador adaptado para o tamanho e forma do objeto

 

 

Sensores

Robôs e dispositivos mecatrônicos detectam o que acontece no mundo real usando sensores. Os sensores são muito importantes, pois podem transmitir informações sobre a posição de um robô ou um braço, o tamanho e a forma de um objeto sendo manipulado, a presença de obstáculos (se for um robô em movimento) e muitas outras informações, incluindo o reconhecimento de objetos por tamanho e forma, como encontrado em alguns projetos “inteligentes”.

   Uma câmera de TV pode ser conectada a um circuito inteligente, permitindo assim que um braço automático selecione peças que tenham tamanho e forma específicos dentre muitas peças mistas, como mostrado na figura 4.

 

Figura 4 - Câmera de TV usada como sensor de imagem
Figura 4 - Câmera de TV usada como sensor de imagem

 

    

Os sensores básicos encontrados em projetos de robótica e mecatrônica são os seguintes:

- Luz: resistores dependentes de luz (LDRs, por exemplo, células CdS ou fotorresistores), fotodiodos, células fotoelétricas e fototransistores

- Pressão: espuma condutora, sensores eletromecânicos, sensores semicondutores

- Temperatura: NTC (**), PTC, diodos ou transistores

- Imagem: dispositivos acoplados a carga (CCDs), fotodiodos ou matrizes fototransistor

- Posição: potenciômetros, sonar, radar, sensores de infravermelho (IR)

- Contato: microswitches, pêndulos

- Proximidade: capacitiva, indutiva ou IR

 

Alimentação

   Qualquer projeto envolvendo componentes eletrônicos e móveis precisa de algum tipo de fonte de energia elétrica. Se o projeto for um robô que se movimenta, é ideal se você puder colocar a fonte de alimentação dentro dele. Baterias e células podem ser usadas dessa maneira. O tamanho e o tipo de bateria dependem da potência necessária ao robô, de quanto tempo ela deve operar sem recarregar e das tarefas que deve executar.

   Se o dispositivo for fixo (por exemplo, um braço robótico) ou relativamente fixo (por exemplo, um elevador), a energia elétrica pode ser fornecida pela linha de energia CA. Uma vez que os circuitos eletrônicos e dispositivos eletromecânicos usados no projeto geralmente usam energia DC, os circuitos que fornecem retificação, filtragem e estabilização de tensão devem ser incluídos se uma fonte de energia CA for usada. Fontes alternativas de energia, incluindo células solares, geradores acoplados a motores de combustão interna, células de combustível e muitos outros, podem ser empregadas em alguns projetos.

 

Inteligência

    Este é um bloco importante que é usado em muitos projetos de mecatrônica e robótica. Inteligência muitas vezes pode ser considerada como um bloco independente.

   A inteligência processa informações que são captadas por sensores ou recebidas de outras fontes externas (por exemplo, um computador ou o operador humano) e tomam decisões sobre as tarefas que o sistema deve executar. O bloco de inteligência pode ser tão simples quanto um comparador neural básico que, por exemplo, detecta a luz ambiente e determina a distância do robô a partir da fonte de luz ou de uma parede. Também pode abranger configurações muito mais complexas, envolvendo decisões de alto nível com microcontroladores.

   Duas formas de inteligência artificial são adequadas para aplicações em robótica e mecatrônica:

 

Inteligência de software

    A inteligência de software é fornecida por um computador, microprocessador ou microcontrolador em que qualquer software inteligente é executado. Links de hardware fornecem os dados que o processador precisa para tomar decisões e se comunicar com o bloco de controle.

   As decisões são programadas em uma estrutura básica e, em alguns casos, podem ser alteradas de acordo com os dados recebidos. Nesse caso, o programa pode “aprender” com a experiência, que é considerada uma característica básica dos sistemas inteligentes.

   Programas que simulam redes neurais são os preferidos por estudantes, pesquisadores e desenvolvedores no campo da inteligência artificial. Outra ferramenta importante para o design de sistemas inteligentes é a lógica fuzzy.

    A inteligência de software pode estar localizada dentro do próprio robô ou máquina mecatrônica quando microprocessadores e microcontroladores são usados. O chip Arduino ou PIC* fornece uma maneira simples de adicionar algum grau de inteligência a uma máquina. Pode ser programado para tomar algumas decisões a partir das entradas de sensores de controle externo.

   O experimentador pode encontrar muitos programas que simulam redes neurais e lógica difusa. Muitos podem ser usados para adicionar inteligência a computadores, autômatos e outras máquinas.

* PICs e Arduinos são pequenos microcontroladores que executam programas softwares especiais muito fáceis de usar

* As ligas com memória de forma são materiais extraordinários que, por meio de um processo de transformação, retornam a uma forma predeterminada quando aquecidas. Quando um SMA está frio (isto é, abaixo da temperatura de transformação), pode ser deformado facilmente para uma nova forma. Quando o material é aquecido acima de sua temperatura de transformação, ele sofre uma alteração na estrutura cristalina que faz com que ele retorne à sua forma original. Se um SMA encontra resistência a essa transformação, pode gerar forças muito grandes. O material de memória de forma mais comum, chamado Nitinol, é uma liga de níquel e titânio de 50:50.

**NTC = coeficiente de temperatura negativo, PTC = coeficiente de temperatura positivo. Com um dispositivo NTC, a resistência diminui à medida que a temperatura aumenta.

 

Inteligência por hardware

    Outra maneira de adicionar inteligência a uma máquina é usando circuitos que podem aprender. A ideia básica é imitar a forma como os seres vivos processam as informações que recebem por meio dos sentidos, ou seja, usando o sistema nervoso. A analogia é mostrada na Figura 1.5.

 

Figura 5 Adicionando inteligência através de uma rede neural.
Figura 5 Adicionando inteligência através de uma rede neural.

 

   

O ser vivo recebe a informação do mundo externo por sensores acoplados a células nervosas. As células enviam a informação para o cérebro, formada por uma rede de células, onde é processada. O resultado é enviado de volta para os efetores (músculos, por exemplo) por outra rede de células nervosas.

   Usando neurônios artificiais, o projetista pode conectar os elementos, formando redes neurais que imitam a operação do sistema de processamento de informações do ser vivo, adicionando algum grau de inteligência a um robô.

   É claro que um único neurônio eletrônico não pode produzir o que podemos definir como um comportamento inteligente. É o comportamento de uma ameba. Mesmo usando milhares ou milhões de neurônios, a inteligência que você adicionará ao seu projeto não excederá a de uma minhoca.

   Uma rede neural pode aprender e tomar decisões, tornando a máquina um pouco inteligente. As redes neurais na forma de circuitos integrados podem ser compradas de revendedores de componentes, como a Mouser Electronics . Começando com CIs deste tipo, os projetistas podem criar redes complexas de neurônios com recursos como aprendizado, tomada de decisões e muito mais.

 

Efeitos

    Dependendo da aplicação, o robô ou o dispositivo mecatrônico deve ter algum meio especial de atrair a atenção das pessoas ou até mesmo simular o comportamento humano. Em projetos práticos, podemos considerar a inclusão de blocos que produzem sons, falam palavras ou respondem a perguntas, produzem efeitos de luz ou até mesmo fornecem um mecanismo de autodefesa. Basicamente, os efeitos que podem ser usados nesses projetos envolvendo robótica e mecatrônica são os seguintes:

- Sons: sirenes, síntese de voz, batimentos cardíacos, respiração, etc. (O batimento cardíaco e a respiração são usados em algumas bonecas para adicionar um pouco de realismo.)

- Efeitos de luz: pisca-pisca, pisca-pisca, sinalização estroboscópica, etc.

- Defesa: alta voltagem

 

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