Veículo Mecatrônico VM2 (MEC061)

(Montagem Didática - Versão com Engrenagens)

Um dos grandes sucessos desta revista foi o projeto do VM1, Veículo Mecatrônico, publicado na segunda edição, e que consistia num carrinho experimental acionado por uma lanterna e movido por uma hélice feita com um CD. O projeto, de grande interesse didático foi adotado por diversas escolas, como atividade envolvendo o uso de Tecnologia no Ensino. Pois bem, como uma evolução natural do projeto, voltamos com o Veículo Mecatrônico, mantendo todas as suas características que o tornam ideal para aplicação em escolas, mas com um processo de transmissão de movimento muito simples usando engrenagens.

Novamente, convidamos estudantes e professores a examinarem o projeto e sugerirem sua montagem em sua escola, com a realização de uma corrida que, certamente será um grande evento.

 

A primeira versão do VM1 - Veículo Mecatrônica se caracteriza pela utilização de material extremamente simples de obter, partes não críticas e um circuito eletrônico muito fácil de implementar.

Um carrinho feito num chassi de papelão, pasta polionda, madeira ou outro material leve continha um circuito com um sensor capaz de controlar um motor de corrente contínua. Quando a luz de uma lanterna incidia no sensor, o circuito acionava o motor que girava a hélice propulsora.

Um ponto de destaque no projeto é que acoplando a hélice diretamente ao eixo, o sistema de transmissão se tornava muito simples, fácil de construir. Outro ponto é que a hélice era feita com um CD velho, cortado e dobrado a quente, conforme mostra a foto do protótipo feito na época.

 

VM-1 construido com material de baixo custo.
VM-1 construido com material de baixo custo.

 

No entanto, apesar de simples tratava-se de uma montagem frágil, pela enorme quantidade de CDs que eram quebrados no processo de fabricação na hélice, na montagem e na própria competição. Bastava colar o CD um pouco descentralizado para que o movimento oscilatório o jogasse longe com a quebra e na corrida, trombadas e batidas inevitavelmente causavam sua quebra.

Uma solução um pouco mais avançada de propulsão, que também serve para introduzir o sistema de redução, que normalmente se emprega nos dispositivos mecatrônicos (robôs, braços, etc.), é a que mostramos agora, fazendo uso de engrenagens para a redução.

O circuito de controle eletrônico é o mesmo, a estrutura do carrinho não tem muitas diferenças em relação a versão anterior, mas a propulsão muda, obtendo-se um veículo muito mais rápido, robusto e interessante para uma corrida.Apresentamos então o Veículo Mecatrônico 2 - VM2.

 

O VM2

Descrevemos a montagem de um carrinho controlado por feixe de luz usando material de fácil obtenção, sendo um projeto ideal para ser adotado em cursos de mecatrônica de escolas de nível médio. De fato, a primeira versão foi adotada no Colégio Mater Amabilis de Guarulhos, e agora a segunda. O projeto também pode ser adotado por clubes de mecatrônica ou mesmo por grupos de pessoas interessadas no assunto, dada sua acessibilidade e simplicidade.

Trata-se de projeto ideal para alunos em fase inicial de aprendizado de eletrônica e mecânica (mecatrônica) já que todas as partes do circuito eletrônico são fáceis de obter e o carrinho em si é montado com material improvisado como, por exemplo, canudinhos de refresco, papelão, rodinhas de carrinhos de brinquedo, etc.

 

Adoção em Escolas

Mecatrônica é uma palavra bastante pronunciada nas escolas que procuram estar em dia com as inovações do ensino de tecnologia e com os PCNs.

No entanto, a maior dificuldade que estas escolas encontram é conseguir professores aptos a lecionar esta matéria e sugestões do que ensinar. O que ocorre é que normalmente os professores da área de ciências e física que poderiam assumir esta disciplina não estão preparados para a parte eletrônica no necessário grau de profundidade.

Temos também a falta de idéias de projetos simples que possam ser assimilados tanto pelos professores como levados aos alunos de forma imediata.

O projeto que descrevemos neste artigo é ideal para esta aplicação.

Seu baixo custo permite que ele seja feito por alunos quer seja individualmente ou em grupos e a sua simplicidade, mesmo usando eletrônica, permite que ele seja facilmente assimilado pelos professores que devem passá-lo aos alunos.

 

O Projeto

Conforme mostra a foto (figura 2 e 3), o nosso carrinho é feito num chassi de papelão (ou outro material leve) e usa rodinhas de carrinhos de brinquedo adquiridos em lojas de "R$1,99" ou mesmo aproveitadas de brinquedos fora de uso.

 

 Dois carrinhos montados por alunos, com detalhe da propulsão por engrenagens.
Dois carrinhos montados por alunos, com detalhe da propulsão por engrenagens.
 Dois carrinhos montados por alunos, com detalhe da propulsão por engrenagens.
Dois carrinhos montados por alunos, com detalhe da propulsão por engrenagens.

 

A propulsão é obtida por um sistema simples de engrenagens plásticas aproveitadas de brinquedos ou eletro-eletrônicos fora de uso.

Para movimentar o veículo é usado um pequeno motor de corrente contínua que é controlado por um circuito eletrônico de controle.

A montagem do circuito eletrônico e o entendimento de seu princípio de funcionamento é a parte eletrônica do projeto, conforme mostra a figura 4.

 

 O circuito eletrônico do VM2.
O circuito eletrônico do VM2.

 

Este circuito contém um sensor fotoelétrico (foto célula) do tipo LDR (light dependent resistor) que deixa passar a corrente quando iluminado.

Como o LDR não pode controlar sozinho a corrente intensa do motor é usado um transistor Darlington de potência. Este transistor atua como uma chave que "liga" quando o LDR recebe luz e conduz a corrente. Ao ligar o transistor alimenta o motor que aciona o sistema de transmissão.

Assim, instalando o sensor de luz num pequeno tubinho de modo que ele receba luz apenas num ângulo, podemos controlar o motor e portanto o carrinho através de uma lanterna, conforme mostra a figura 5.

 

Posicionamento do circuito eletrônico e do LED (veja apostila PV008a)
Posicionamento do circuito eletrônico e do LED (veja apostila PV008a)

 

O carrinho vai então se mover em velocidade que depende do rendimento da hélice (o que o próprio aluno deve otimizar), do peso do carrinho e também de outros fatores como a redução de atrito e a utilização de boas rodinhas.

 

Aspecto Didático

O que o aluno pode aprender com o projeto já vale plenamente sua adoção. Assim, podemos falar nos assuntos em que o projeto pode ser adotado como tema transversal nas disciplinas de ciências e física, principalmente:

* Como funcionam os motores elétricos

* Conceitos de movimento

* Como funciona a propulsão por engrenagem

* Operação de um controle remoto com fotocélula (LDR)

* Controle de potência usando um transistor Darlington

* Como melhorar o desempenho de um veículo reduzindo o atrito

 

Montagem do Veículo

O chassi pode ser de papelão, plástico ou madeira com o formato mostrado na figura 6.

 

Sugestão de chassi de papelão ou aoutro material leve que possa ser cortado e dobrado facilmente.
Sugestão de chassi de papelão ou aoutro material leve que possa ser cortado e dobrado facilmente.

 

Num dos eixos deve ser fixada a engrenagem propulsora. O leitor pode obter essa engrenagem de carrinhos de brinquedo com motores ou outros dispositivos que usem motores. Na figura 7 mostramos como essa engrenagem deve ser fixada. Se ficar solta, impedindo a propulsão, pode ser usada fita adesiva enrolada no eixo para engrossá-lo e prender a engrenagem.

 

 

 Como deve ser feito o acoplamento do motor à engrenagem do eixo traseiro das rodas.
Como deve ser feito o acoplamento do motor à engrenagem do eixo traseiro das rodas.

 

Para fixação dos eixos podem ser usados canudinhos de refresco que serão cortados de acordo com o comprimento dos eixos das rodas para poderem ter movimento com folga.

Os canudinhos deverão ser colados no chassi com o cuidado para que tenham um alinhamento perfeito, pois o veículo deve se mover em linha reta, o que vai ser importante numa competição. Observe que no caso do eixo que contém a engrenagem propulsora são usados dois pedaços de canudinhos para fixar o eixo e existe uma fenda no chassi que se ajusta à posição dessa engrenagem.

Qualquer cola forte pode ser usada como, por exemplo, a Brascola, Cola de Madeira, etc.

As rodas serão obtidas de carrinhos de brinquedo baratos, do tipo que pode ser adquirido nas lojas de "1,99". Procure um carrinho que tenha rodas de plástico ou borracha bem lisas. Será interessante fazer experiência para verificar qual tem menor atrito e seja mais leve.

O diâmetro da roda deve ficar entre: 2 e 5 cm. A distância entre eixos entre 6 e 12 cm. Evite usar rodas pesadas pois elas influem no desempenho do veículo. Na figura 8 temos a colocação das rodas no veículo.

 

 Colocação do eixo traseiro com a engrenagem no chassi.
Colocação do eixo traseiro com a engrenagem no chassi.

O motor tem em seu eixo uma pequena engrenagem cilíndrica que deve encaixar sem folga para que toda a força do motor seja transmitida. Esse motor será fixado através de um elástico que passa por dois furos no chassi, conforme mostra a figura 9.

 

Prendendo o motor.
Prendendo o motor.

 

É muito importante que o motor mantenha boa pressão sobre a engrenagem da roda propulsora para que toda potência seja transmitida e para que o veículo não "patine" na partida. A posição exata do motor no chassi vai depende da posição das engrenagens e da fenda.

O suporte de pilhas é colado no próprio chassi como na montagem da figura 10.

 

Neste protótipo com chassi de alumínio, o suporte de pilhas foi colado diretamente no chassi.
Neste protótipo com chassi de alumínio, o suporte de pilhas foi colado diretamente no chassi.

 

Observe que o circuito eletrônico tem um foto-sensor (LDR) que deve ficar posicionado no modo mostrado pela figura 11.

 

 Posicionamento do LDR de modo a receber a luz do disparo.
Posicionamento do LDR de modo a receber a luz do disparo.

 

Este sensor será protegido por um pedaço de canudinho de plástico ou papelão de aproximadamente 1,5 cm com fita isolante em sua volta para evitar a luz lateral.

A pintura e o aspecto final do carrinho ficam por conta dos montadores que podem fazer um modelo único de pintura e até montar uma carroceria usando materiais leves como o papelão, plástico, etc.

 

 

O CIRCUITO ELETRÔNICO

O circuito receptor tem por base um LDR (Foto-Resistor) que aciona um transistor Darlington de potência. A carga do transistor é um pequeno motor de corrente contínua.

O LDR (Light Dependent Resistor) é um componente cuja resistência elétrica depende da quantidade de luz que incide na sua parte sensível feita de Sulfeto de Cádmio. Este tipo de sensor é usado em automatismos como alarmes, nos postes de iluminação pública para acender as luzes ao anoitecer e em muitas outras aplicações.

O circuito completo do controle por luz usando o LDR é mostrado na figura 12.

 

Circuito completo da parte eletrônica.
Circuito completo da parte eletrônica.

 

Quando o LDR é iluminado uma corrente flui por este componente polarizando a base do transistor. O transistor satura (conduz) e com isso deixa passar a corrente que alimenta o motor.

Veja que a velocidade máxima do motor não depende da intensidade da luz, quando ela ultrapassa certo valor, conforme mostra o gráfico da figura 13. É importante deixar isso claro para os estudantes que acham que usando uma lanterna maior ou mais forte o carrinho corre mais, o que não é verdade.

 

 Velocidade em função da intensidade da luz no LDR.
Velocidade em função da intensidade da luz no LDR.

 

Com a luz fraca a corrente aumenta até o ponto em que, por mais forte que a luz se torne a corrente se estabiliza. Por este motivo não adianta ter uma lanterna excessivamente forte ou aproximá-la excessivamente do LDR.

O circuito admite dois tipos de montagem:

 

a) Ponte de terminais

Esta montagem é indicada aos alunos iniciantes pois não necessita de recursos especiais, apenas a pequena ponte que até pode ser obtida de aparelhos antigos ou improvisada numa tabuinha com 5 preguinhos onde serão soldados os componentes.

A montagem em ponte é mostrada na figura 13.

 

Montagem em ponte de terminais.
Montagem em ponte de terminais.

 

 

b) Montagem em placa

Esta montagem é indicada aos alunos dos cursos técnicos que já dominam o projeto de circuitos impressos. Ficará por conta do aluno fazer seu projeto a partir do diagrama.

 

Na montagem tenha os seguintes cuidados:

* Observe a polaridade dos fios do suporte de pilhas (cores)

* Observe a posição do transistor

* Tenha cuidado na soldagem do LDR que é um componente delicado.

* Instale o LDR num pedaço de canudinho protegido com fita isolante ou adesiva escura.

 

TESTE E USO

* Tampe o LDR de modo que ele não receba luz.

* Coloque as pilhas no suporte

* Deixando bater luz no LDR ou iluminando-o com a lanterna o motor deve girar

* Se o motor não girar "esfregue" as pilhas no suporte de modo a melhorar seu contacto.

* Comprovado o funcionamento instale o circuito no carro, colando o motor, suporte de pilhas e fixando o circuito com o LDR devidamente posicionado.

* Se o carro tender a andar de "marcha à ré" inverta as ligações do fio do motor.

 

Otimização:

Comprovado o funcionamento o montador deve procurar obter o máximo de desempenho do seu carro para a prova alterando certos elementos como:

* Experimente diversos tipos de engrenagens

* troque as rodas se achar necessário

* lubrifique os eixos

* obtenha o acionamento em linha reta

* diminua o peso onde for necessário

* mude a aerodinâmica do projeto onde for possível

 

Competição e Notas:

Uma idéia adotada na escola é que o projeto não receba nota apenas pela montagem, mas também que seja realizada uma competição entre os alunos e isso de uma forma bem realista, imitando as competições de "Fórmula I"

Assim, estabelecemos algumas regrinhas que podem ser aproveitadas (e modificadas) pelos professores que desejarem implantar este projeto em suas escolas.

O veículo montado pelo aluno receberá duas notas: uma referente à própria montagem em que se observará o esmero e também a habilidade e outra de uma competição, segundo os seguintes critérios:

 

Lista Material da Parte Eletrônica (*) :

Q1 - Transistor TIP122

LDR - LDR redondo comum

R1 - 4,7 M ? - resistor

M1 - Motor de 3 V a 6 V

B1 - Suporte para 4 pilhas pequenas

Ponte de terminais, fios, solda.

 

 

Temas Transversais

A utilização da tecnologia nos ramos de mecatrônica, eletrônica, informática, etc., tem sido recomendada nos PCNs. A atividade que envolve a construção do veículo mecatrônico VM2 pode ser aproveitada como tema cruzado para diversas matérias do currículo do ensino médio e fundamental. Em especial, aplicamos a montagem do veículo a partir da 7ª série do fundamental, onde os alunos já possuem condições de manusear um soldador.

 

Dentre os temas transversais em que a montagem do veículo se encaixa podemos sugerir:

* Estudo das engrenagens - mecânica (física e ciências)

* Movimento - mecânica ( física e ciências)

* Atrito - mecânica (física e ciências)

* Aerodinâmica - (ciências e física)

* Energia - (ciências e física)

* Sensores - fontes alternativas (física e ciências)

* Organização de uma competição (ciências humanas)

 

 

Veja mais:

* Apostilas - Veículos Mecatrônicos VM1, VM2 e VM3 (PV008)

* Fotolog com fotos das competições com os VM1, VM2 e VM3 além de fotos de veículos montados.

 


Localizador de Datasheets


N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

Opinião

Entrando em dezembro (OP207)

Estamos nos aproximando do último mês desse ano de pandemia (2020), com esperanças para que a vacina chegue logo e possamos voltar à normalidade. Há muito a ser feito a partir de agora e, como temos informados aqueles que nos seguem, nunca paramos. De fato, nosso trabalho tem sido contínuo, com a produção constante de material para o nosso site, lives, livros, vídeos, podcasts e muito mais. Na verdade, a única mudança que tivemos em nossas atividades foi a suspensão dos eventos presenciais. Esperamos que no próximo ano eles voltem, talvez com algumas modificações, mas que possamos estar juntos daqueles que nos acompanham.

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