Atelier de Formação Iniciação à robótica móvel

1. DEAR Robot Atelier de FormaçãoIniciação à robótica móvel Princípios de Construção Mecânica e Electrónica de um MicroRobô Móvel Autónomo Associação Nacional de Professores de Electrotecnia e Electrónica

2. Caderno de encargos • Robô móvel autónomo, capaz de: • Seguir uma pista • Subir e descer uma rampa • Detectar cores • Detectar obstáculos • Avisar por meio de som/luz Video da arena

3. Opções técnicas • Face à complexidade do tratamento das informações recolhidas nos sensores, decidiu-se pelo controlo por microcontrolador. • Face ao tipo de piso e à necessidade de rapidez, optou-se por uma tracção diferencial, com duas rodas motrizes e uma roda de apoio livre.

4. Opções técnicas • Tecnologia • Keep • It • Seriously • Simple

5. Estrutura Mecânica (chassis) 1. Construção da Plataforma • Factores a ter em conta: • Simplicidade • Minimizar o número de partes móveis e a complexidade do robô • Robustez • resistência aos impactos

6. Estrutura Mecânica • Modularidade • O robô deve ser composto por um grupo de módulos que se interliguem de tal forma, que um dos módulos possa ser substituído sem necessidade de remoção dos restantes • Materiais aconselhados para a plataforma: Vidro acrílico, PVC ou contraplacado

7. Estrutura Mecânica • Forma (plataforma simples): Roda livre Vista Lateral motores Vista de baixo

8. Estrutura Mecânica • Forma (plataforma dupla): Roda livre Vista Lateral motores Vista de baixo

9. bateria Sensor de pista servos Estrutura Mecânica (Sugestão) Sensor de obstáculos Placa controlador roll-on

10. Geometria do problema • Localização dos sensores de pista • Geometria da rampa • A rampa, com 25º de inclinação, coloca problemas • quanto à localização do centro de gravidade, • quanto ao binário disponível para a superar e • quanto à geometria e localização dos sensores.

11. Geometria do problema • Here we go!!!!!!!!!!!!!!

12. Geometria do problema • O centro de gravidade do carro deverá estar centrado e o mais baixo possível, de modo a que em plena rampa, não caia fora dos pontos de apoio das rodas

13. Geometria do problema • Quanto à localização dos sensores de pista, importa reparar que no início da subida estes se afastam do solo, podendo deixar de “sentir” a pista, como se vê na figura.

14. Geometria do problema • Pelo contrário, no fim da subida, os sensores aproximam-se perigosamente do solo, podendo ficar presos.

15. Geometria do problema • Assim, e tendo em conta a geometria do problema, sugere-se a localização dos sensores próximo dos eixos das rodas.

16. Problema da Estabilidade Dinâmica Os sensores de pista devem estar o mais afastados possível das rodas motrizes.

17. Problema da Estabilidade Dinâmica Neste caso, a correcção da trajectória implica um ângulo de rotação maior, logo, a maior oscilação do robô.

18. Motores • Existem 3 tipos possíveis de motores • CC (corrente contínua) - mais potentes, controlo difícil, caros, exigem mais electrónica • Passo-a-Passo - pouco potentes, pesados, controlo muito fácil • Servos - muito potentes, leves, controlo fácil e baratos – foi a opção tomada

19. Motores CC • Como controlar o motor CC • A inversão de marcha exige uma ponte H como a da figura + En Frente M Trás Dir -

20. Motores CC • Podemos construir uma ponte com componentes discretos - os transistores funcionam, como interruptores. + Controlo Avanço M Controlo Recuo -

21. Motores CC • Podemos utilizar um circuito integrado como o L293D que contem duas pontes, já protegidas com díodos para correntes até 600 mA.

22. Motores CC • O circuito integrado L293D vai ter duas alimentações. Uma para comando (5V) e outra para potência (9.6 V). • A Tabela permite programar o movimento em qualquer direcção (conjugando 2 motores)

23. T T T Motores CC • Controlo de velocidade • Utiliza-se um sinal PWM (Pulse Width Modulation) média A velocidade do motor varia proporcionalmente à área debaixo da porção positiva de cada período

24. Motores CC • Ajuste da velocidade e do binário • O motor, por si só, não se encontra preparado para ser usado directamente num robô • Problema - velocidade excessiva (>5000 rpm) e binário disponível insuficiente. • Solução - Uso de sistemas de engrenagens que reduzam a velocidade de rotação e aumentem o binário disponível.

25. Motores CC • Vantagens • Torna possível a utilização de microcontroladores • Reduz as perdas térmicas nos componentes, pois nem sempre a tensão é aplicada

26. Nº dentes roda 2 Nº dentes roda 1 Nº dentes roda 2 1 T2 2 T1 Relação transmissão = Nº dentes roda 1 Motores CC • Relação binário/velocidade

27. RODAS • O diâmetro das rodas irá condicionar a velocidade do robô. • Rodas maiores  Velocidade linear maior • Num minuto, uma roda desloca-se:  s = 2 .  . R . n R - raio da roda n - nº de rotações p/minuto

28. Servo Motores • Os servomotores são motores particularmente concebidos para o modelismo. • Potentes, de baixo consumo, leves, resistentes ao choque e baratos.

29. Servo Motores

30. Servo Motores • No seu uso normal os servos rodam ângulos que dependem da largura do impulso fornecido • Para o uso em robôs móveis, é necessário adaptá-los para rotação contínua.

31. Modificar um Servomotor • Agora que já sabe como funciona um servomotor, vamos descrever como pode transformr um servomotor R/C num excelente motor de corrente contínua com redutor de velocidade. • O que se vai fazer é modificar o servo de modo a que este funcione sem batente e sem electrónica de controlo.

32. Modificar um Servomotor • Os passos seguintes ajudá-lo-ão a realizar as modificações. • Retire o parafuso que prende a flange ao eixo do servo.

33. Modificar um Servomotor • Abra a caixa removendo os 4 parafusos localizados na base do servo. • A tampa da base deve ser retirada lentamente e com cuidado. Remova a tampa do topo da caixa.

34. Modificar um Servomotor • Tenha cuidado em anotar o modo como estão dispostas as rodas dentadas e remova-as do topo do servo. • Coloque-as sobre uma folha de papel pela mesma ordem com que estavam no servo. A roda dentada fina ao centro não precisa ser retirada.

35. Modificar um Servomotor • Seguidamente, é preciso remover da caixa a placa do circuito electrónico. • Para isso, vai ser necessário dessoldar os terminais do motor que estão directamente inseridos na placa.

36. Modificar um Servomotor

37. Modificar um Servomotor • Localize e remova o pequeno parafuso philips do potenciómetro na figura e retire o conjunto placa de circuito impresso+cabo+potenciómetro.

38. Modificar um Servomotor • Dessolde o cabo (ou corte-o) e use os condutores encarnado e preto para ligação directa aos terminais do motor. • Deixe o condutor de sinal (branco ou amarelo) sem ligação.

39. Modificar um Servomotor • Remova o batente da roda dentada como se indica na figura (use x-acto ou alicate).

40. Modificar um Servomotor • Volte a colocar as rodas dentadas nos seus lugares, começando pela do meio. Quando todas estiverem colocadas, coloque as duas tampas. Finalmente aperte os quatro parafusos da caixa. Os servos estão finalmente em condições de serem utilizados no seu robô. • Teste o servo, com uma tensão CC de 6V.

41. Sensores Tipos de problemas a resolver: • detecção de obstáculos a curta distância • seguimento de pista • detecção de cores • seguimento de paredes • detecção de inclinação

42. Sensores- detecção de obstáculos • Por toque (contacto) com interruptores mecânicos ou whiskers.

43. Sensores- detecção de obstáculos • Por IV a distância. Não alterar!!

44. Sensores- detecção de obstáculos

45. Sensores- detecção de obstáculos

46. Sensores- detecção de pista • Sensor de pista • Este dispositivo possui três sensores infra-vermelhos que permitem detectar por reflexão, o contraste preto-branco da linha preta face ao fundo branco.

47. Sensores- detecção de pista • É constituído por três pares emissor/receptor idênticos constando cada um de um led emissor na banda dos infra-vermelhos e de um fototransistor sensível na mesma banda. • Como a cor preta absorve as radiações e a cor branca as reflecte, temos assim o nosso fototransistor (sensor) a conduzir ou não. • Os três leds são activados sequencialmente através de um microcontrolador, efectuando-se as leituras dos fototransistores nesses instantes.

48. Sensores- detecção de pista

49. Sensores- detecção de cores O detector de cores é constituído por um divisor potenciométrico: uma resistência ajustável e uma LDR (o sensor).

50. Sensores- detecção de cores • Seria sempre preferível ligar sequencialmente as cores RGB (3 leds) e efectuar medições separadas, mas isso não constitui um valor acrescentado para uma decisão rápida sobre a cor).