Atelier de Formação Iniciação à robótica móvel Princípios de Construção Mecânica e...

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

DEAR DEAR RobotRobot

Caderno de encargos

Robô móvel autónomo, capaz de:

Seguir uma pistaSubir e descer uma rampaDetectar coresDetectar obstáculosAvisar por meio de som/luzVideo da arena

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.

Opções técnicas

Tecnologia

Keep

It

Seriously

Simple

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

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

Estrutura Mecânica

Forma (plataforma simples):Roda livre

Vista de baixo

motores

Vista Lateral

Estrutura Mecânica

Forma (plataforma dupla): Roda livre

Vista de baixo

motores

Vista Lateral

Estrutura Mecânica (Sugestão)Sensor de obstáculos

Placa controlador

roll-on

servos

Sensor de pista

bateria

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.

Geometria do problema

Here we go!!!!!!!!!!!!!!

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

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.

Geometria do problema

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

Geometria do problema

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

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

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

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

Motores CC

Como controlar o motor CC– A inversão de marcha exige uma ponte H

como a da figura

M

+

-

En

Dir

Frente

Trás

Motores CC

Podemos construir uma ponte com componentes discretos - os transistores funcionam, como interruptores.

M

-

+Controlo Avanço

Controlo Recuo

Motores CC

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

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)

Motores CC Controlo de velocidade Utiliza-se um sinal PWM (Pulse Width

Modulation)

A velocidade do motor varia proporcionalmente à área debaixo da porção positiva de cada período

T T T

média

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.

Motores CC

Vantagens– Torna possível a utilização de

microcontroladores– Reduz as perdas térmicas nos

componentes, pois nem sempre a tensão é aplicada

Motores CC Relação binário/velocidade

Nº dentes roda 1

1 T2

2 T1

Nº dentes roda 2Nº dentes roda 1

Nº dentes roda 2Relação transmissão =

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

Servo Motores

Os servomotores são motores particularmente concebidos para o modelismo.

Potentes, de baixo consumo, leves, resistentes ao choque e baratos.

Servo Motores

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.

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.

Modificar um Servomotor

Os passos seguintes ajudá-lo-ão a realizar as modificações.

Retire o parafuso que prende a flange ao eixo do servo.

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.

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.

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.

Modificar um Servomotor

Modificar um Servomotor

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

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.

Modificar um Servomotor

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

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.

Sensores

Tipos de problemas a resolver:

detecção de obstáculos a curta distância

seguimento de pista detecção de cores seguimento de paredes detecção de inclinação

Sensores- detecção de obstáculos

Por toque (contacto) com interruptores mecânicos ou whiskers.

Sensores- detecção de obstáculos Por IV a distância.

Não alterar!!

Sensores- detecção de obstáculos

Sensores- detecção de obstáculos

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.

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.

Sensores- detecção de pista

Sensores- detecção de cores

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

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).

Sensores-detecção de Inclinação

Avisadores

Sonoro – bezouro

Luminoso - LED

Microcontrolador

Picaxe 28X Características:

600 linhas código

21 pinos E/S

9-17 saídas

0-12 entradas

0-4 entradas A/D

2 saídas PWM

Linguagens de programação

PBasic (compatível com Basic Stamp)

Ambiente integrado de desenvolvimento com suporte para programação gráfica por fluxogramas.

Editor, compilador, programador e debugger incorporados.

Contactos

ANPEEhttp://www.anpee.org

Picaxehttp://www.picaxe.co.uk

Ludgero Leotee-mail: lleote@mail.telepac.ptskype: leote2000

Robocup/Robótica2006

Robocup Portuguese Committeehttp://robocup.isr.ist.utl.pt/

Robótica 2006

http://www.robotica2006.dei.uminho.pt/robotica2006/

http://satchmo.cs.columbia.edu/rcj/

Etapas de trabalho - desenhar

Etapas de trabalho - desenhar

Etapas de trabalho - desenhar

O desenho do chassis em papel facilita o corte do PVC e a dobragem

Etapas de trabalho – cortar e furar

Operações de corte, dobragem, furação

Placa do controlador - Stripboard

O Stripboard é uma placa que possui pistas paralelas de cobre num dos lados. As pistas estão separadas de 0.1" (2.54mm) e nelas existem furos espaçados de 0.1" (2.54mm).

Circuito em Stripboard (pistas do lado do cobre).

Placa do controlador - Stripboard

Os Stripboard são utilizados para realizar circuitos permanentes utilizando soldadura. São ideais para fabricar pequenos circuitos com um ou dois circuitos integrados (chips).

Cortes e reparações no stripboard. Testes das ligações

Pontos de teste

1

1

2

21

2

+9V

-+

1 1 1

Esquema de ligações

M2 M1

9V

9,6V

Alimentação dos sensores

Ligação ao cabo série paraprogramar

Sensor de pista (3inputs)

Sensor de obstáculos(2outputs)

Sensor de obstáculos(1input)

Sensor de cor

BezouroLed