AGV COM MANIPULADOR ROBÓTICO

Gustavo Tonarque Lazzarino1, Pedro Bruhmuller Junior2, Valmir Ferreira Junior3

Resumo: Este artigo aborda um projeto para desenvolvimento de um AGV (veículo guiado automaticamente) com manipulador robótico com 5 graus de liberdade acionado com servo-motor. O AGV é do tipo seguidor de linha, uma forma muito popular de veículos automaticamente guiados, amplamente utilizados em indústrias e ambientes internos. Neste projeto, a “linha” que orienta o veículo é feita de uma fita adesiva no chão podendo ser branca ou preta onde uma placa com cinco sensores ópticos fazem a leitura da linha baseados em reflexão da luz, comparando a reflexão do chão com a reflexão da fita, contando também com um sistema de parada feito por um sensor ultrassônico. O robô deve completar um circuito e realizar a parada em um ponto específico, onde o manipulador robótico irá pegar uma peça e colocá-la em cima do próprio veículo para realizar o transporte da mesma.

Palavras-chave: AGV. Manipulador Robótico. Arduino. Seguidor de Linha.

1 INTRODUÇÃO

Atualmente, a tecnologia vem se desenvolvendo exponencialmente. Até pouco tempo atrás quando se falava em era digital estava-se falando ainda de atualidade. Entretanto, o desenvolvimento, conhecimento e informação estão se expandindo de forma tão acelerada que hoje, se quiser falar de atualidade, o termo é era pós-digital. Como era de se esperar, a indústria caminha lado a lado com a tecnologia, seja para a sua criação ou para a sua aplicação, visando a rapidez e eficiência na produção e uma destas aplicações é o emprego de robôs na substituição da mão de obra humana para serviços de precisão ou serviços repetitivos.

Com um amplo campo de sistemas robóticos, um dos destaques são os manipuladores robóticos, que são de base fixa e podem manipular objetos dentro da sua área de trabalho. Essa aplicação é vasta nas indústrias para: manipulação de cargas, soldagens, pinturas, entre outros, onde há uma dificuldade humana em exercer um determinado serviço.

Outro destaque fica por conta do AGV, os veículos automaticamente guiados, que e exercem funções de movimentação de cargas dentro da indústria. Usualmente, são seguidores de linha que se baseiam em um circuito pré-estabelecido e se orientam a partir disto, seguindo o caminho de orientação para movimentações repetitivas.

1.1 Tema

Desenvolvimento de um AGV seguidor de linha com manipulador robótico.

1.1.2 Delimitação do Tema

1 Sociedade Educacional de Santa Catarina – UNISOCIESC. E-mail: gustavo.tonarque@gmail.com

2 Sociedade Educacional de Santa Catarina – UNISOCIESC. E-mail: pedrobruhmullerjunior@gmail.com

3 Sociedade Educacional de Santa Catarina – UNISOCIESC. E-mail: valmir.junior@gmail.com

Desenvolvimento de hardware para controle do AGV e manipulador robótico, desenvolvendo algoritmo para controle.

1.2 Problematização

Muitos processos na indústria possuem trabalhos agressivos ao ser humano. Seja por um acesso complicado, um grau de risco muito alto, levantamento de cargas ou até mesmo serviços altamente repetitivos que se tornam cansativos e perdem a eficiência e precisão devido à fadiga e cansaço depois de um período de tempo. Isto pode ocasionar perda de produção e acidentes, envolvendo custos adicionais para a empresa e também colocando a integridade física das pessoas em risco. Os sistemas robóticos vêm em grande expansão nas indústrias facilitando os serviços que são realizados por humanos e mitigar esses tipos de riscos associados ao trabalho de produção.

1.3 Hipóteses

O AGV (veiculo guiado automaticamente) pode entrar em locais de riscos (ex.: radiação) e com sensores e sistemas de visão pode exercer algum trabalho na área com a ajuda do manipulador robótico.

Um manipulador robótico que interage com sua área de trabalho e pode conter auxilio de sensores ou sistema de visão para diferenciação de objetos ou até mesmo para servir de segurança para colidir com algo que esteja em seu ambiente de trabalho.

Locais que oferecem risco a vida humana, dificuldade de trabalho ou que poder exigir muita força humana pode ser utilizado um manipulador robótico adaptado a esta situação.

O comportamento do manipulador pode ser modelado através de equações matemáticas e reproduzido através de movimentações coordenadas dos servos do manipulador e o comportamento do AGV pode ser controlado através da uma linha no chão, gerando o percurso que ele deve seguir e quando sair do percurso, se autocorrigir e retornar ao percurso novamente.

1.4 Justificativa

O intuito de utilizar um manipulador robótico junto a um AGV é automatizar o transporte de cargas dentro de uma indústria, que é feito hoje em dia através de empilhadeiras ou carros elétricos dirigidos por humanos ou então realizar um trabalho repetitivo ao longo de um percurso, uma soldagem por exemplo. Com o manipulador pode-se alcançar as cargas que se encontram fora do percurso do AGV, em uma prateleira para exemplificar, ou então realizar os trabalhos de soldagem em diferentes alturas ou comprimentos de alcance.

1.5 Objetivo Geral

Controlar o manipulador robótico de maneira independente para determinar os pontos de trabalho, com isso fazer a movimentação de modo autônomo através do AGV.

1.6 Objetivos Específicos

O desenvolvimento do projeto de um manipulador robótico movimentado por AGV foi dividido em algumas etapas, que se seguiram ao decorrer do curso de Engenharia de Controle e Automação da UniSociesc, de acordo com as matérias de projeto integrador.

Como primeira etapa, pertencente ao projeto integrador I:

a) Introdução ao estudo de robótica, através de pesquisas de artigos e materiais relacionados ao tema.

b) Idealização de um robô AGV para desenvolvimento.c) Realização de desenhos mecânicos no SolidWorks e protótipo físico.

Como segunda etapa, pertencente ao projeto integrador II:

a) Definir os métodos de controle que o robô possuirá.b) A partir dos métodos de controle, definir os componentes elétricos e eletrônicos (sensores,

controlador, drivers, motores), e componentes mecânicos (rodas, barra de direção, carcaça).

c) Desenvolvimento do software de controle.d) Montagem e testes do protótipo.

Como terceira e última etapa, pertencente ao projeto integrador III:

a) Projeto de integração de um manipulador robótico que se movimentará em cima do AGV.b) Montagem do manipulador.c) Desenvolvimento do software de controle e integração do mesmo ao software principal do

AGV, para que funcionem em conjunto.

1.7 Metodologia

O desenvolvimento deste projeto envolve o conjunto de várias competências para que o resultado esperado se torne de fato um resultado real. Para a realização da prototipagem mecânica, utilizou-se a facilidade do desenho por software através do SolidWorks, onde pode-se ter uma ideia prévia através do modelo 3D de como será o protótipo físico.

Para a realização do controle eletrônico, levou-se em consideração o uso de um controlador de baixo custo e que fosse altamente versátil, permitindo a utilização de sensores e o controle de drivers para motores elétricos, controle de servomotores e também permitisse ensaios e testes de forma dinâmica. Assim facilitou a determinação dos sensores, visto que as especificações técnicas já eram padrões para o controlador utilizado, e das melhores regulagens e montagens dos equipamentos no protótipo mecânico.

O software baseado na linguagem de programação C++ foi também outro método utilizado no desenvolvimento deste projeto, permitindo alterações e correções de modo ágil para melhor adaptar o controle do robô.2 AGV

Figura 1 – AGV finalizado

A construção do AGV foi feita de forma manual pelos próprios idealizadores do projeto. Existem diversos modelos de AGV onde pode-se comprar a carcaça pronta, mas o desenho do layout mecânico faz parte do projeto em si.

2.1 Projeto Mecânico

O desenho mecânico do AGV foi feito via software SolidWorks. Assim, pode-se ter uma boa ideia de como ficaria o protótipo físico. Como desenhar e projetar faz parte da engenharia, foi decidiu-se a montagem manual do protótipo ao invés da compra de uma carcaça pronta. O material utilizado para a montagem foi chapas de madeira compensada cortadas a laser, parafusos, abraçadeiras plásticas, cola quente e tinta. As imagens abaixo mostram o projeto no SolidWorks.

Figura 2 – Desenhos e layout AGV

Figura 3 – Desenhos placa eletrônica da fonte e manipulador

2.2 Componentes eletrônicos

2.2.1 O controlador

Para o controle do AGV, utilizou-se a plataforma de prototipagem aberta “Arduino Mega 2560”. O Arduino Mega 2560 é uma placa de microcontrolador baseada no microprocessador ATmega2560. Ele possui cinquenta e quatro pinos de entradas/saídas digitais, dezesseis entradas analógicas, quatro UARTs (portas seriais de hardware), um oscilador de cristal de dezesseis MHz, uma conexão USB, uma entrada de alimentação, uma conexão ICSP e um botão de reset. Para fazer a programação basta conectar a um computador com um cabo USB e executar o aplicativo próprio para a programação e compilação do código. Depois de programar e gravar o programa liga-se a uma fonte de alimentação e já está pronto para começar a controlar.

Figura 4 – Arduino Mega 25602.2.2 Sistema de visão

O sistema de visão é constituído por cinco sensores ópticos reflexivos TCRT5000, que são sensores constituídos de um emissor de luz infravermelha e um fototransistor receptor, que efetua a leitura da reflexão. Este conceito foi utilizado para realizar a localização da faixa no chão, onde o robô precisa se orientar.

Figura 5 - Placa eletrônica dos sensores ópticos

O sensor central é o sensor de referência o qual o AGV sempre vai tentar se posicionar. À medida que ele avança no circuito e encontra uma curva, a faixa vai se deslocar para a direita ou esquerda, onde chegará aos sensores de ajuste fino. Estes sensores enviarão um comando para o servomotor que controla a barra de direção, indicando que ele tem que retornar ao sensor central. Caso a curva seja muito brusca e a faixa atinja os sensores das extremidades, além do controle da barra da direção, o controlador também acionará um comando para diminuir a velocidade de uma das rodas (dependendo da direção), assim fazendo um controle por rotação diferencial, colaborando na curva.

2.2.3 Sistema de parada

O AGV possui um sistema de segurança para o caso de algum obstáculo cruzar a sua frente, podendo ser uma pessoa por exemplo. Quando ele percebe o obstáculo a um metro de distância, os motores diminuem a velocidade. Caso o obstáculo não saia e a distância chegue a meio metro, o AGV para completamente.

Este sistema é baseado no funcionamento de um sensor ultrassônico. Este sensor emite uma onda ultrassônica e aguarda o retorno desta onda. Baseado no tempo de retorno consegue-se estimar a distância do obstáculo.

Figura 6 - Sensor Ultrassônico

2.2.4 Tração, direção e velocidade

Para realizar a tração e controle de velocidade dos motores, utilizou-se uma placa de circuito eletrônico L298N. Esta placa é um módulo de ponte H que possui dois canais e uma corrente máxima de 2A por canal. Cada motor foi ligado em um canal e o controle da velocidade foi feito utilizando a técnica de modulação por largura de pulso (PWM).

Figura 7 - Placa eletrônica L298N

Os motores utilizados para a tração foram dois motores CC de 12 volts, normalmente utilizados para vidro elétrico automotivo. Estes motores possuem uma engrenagem de oito dentes no eixo possibilitando o acoplamento das rodas.

Figura 8 - Motores Mabuchi 12V

Para o controle da barra de direção foi utilizado um microservo motor TG9. Este servomotor opera com 4.8 volts e um torque de 1,5Kg/cm. Para realizar o controle, o controlador diz ao servo o ângulo que ele precisa girar e este obedece, assim posicionando as rodas conforme a necessidade do AGV, comandado pelo sistema de visão anteriormente citado.

Figura 9 - Microservo TG9

Figura 10 - Sistema de direção

2.2.5 Energia

Para o fornecimento de energia do robô utilizou-se uma bateria selada de 7A/h de 12 volts, comumente utilizada em centrais de alarmes.

Figura 11 - Bateria

Esta bateria é a responsável por todo o fornecimento de energia do AGV e principalmente pela parte de força dos motores de tração, onde ela é ligada diretamente ao circuito de ponte H, visto que sua tensão é a mesma dos motores.

Porém, os servomotores trabalham com uma tensão diferente da bateria. Trabalham com 5 volts. Para isto, foi desenvolvido uma placa reguladora de tensão constituída de um regulador de tensão LM7805 e um transistor para suportar a corrente de trabalho.

Figura 12 - Imagem da placa eletrônica reguladora de tensão

Figura 13 - Circuito da placa eletrônica reguladora de tensão

3 O MANIPULADOR ROBÓTICO

Figura 14 - Manipulador robótico montado

O manipulador robótico foi idealizado para ser montado na parte superior do AGV, onde poderia alcançar diversos objetos. É um manipulador articulado feito de alumínio e com objetivo didático. Ele possui cinco eixos controlados por servomotores e mais um servo motor que controla a abertura e fechamento da garra.

Os servos que fazem o movimento das articulações são microservos modelo MG996R, que trabalham em 5volts e tem um torque de 9,4Kgf/cm. A corrente de trabalho pode chegar a 2.5A.

Figura 15 - Microservo MG996R utilizado no manipulador

Para realizar os movimentos, o “Arduino Mega” diz ao servo os ângulos que ele precisa chegar e quando todos se movimentam simultaneamente há a cinemática do manipulador, possibilitando a chegada ao ponto desejado.

4 CONCLUSÃO

Com a finalização do projeto, montagem, execução e apresentação há um evidente desenvolvimento dos alunos em vários aspectos técnicos e também pessoais desde o começo com o projeto proposto na matéria “Projeto Integrador I” até o final, apresentado na matéria “Projeto Integrador III”. Um desafio desta maneira agrega muito valor ao conhecimento, pode-se sentir um pouco na pele o quão desafiador pode ser um problema real de engenharia, visto que apenas um protótipo já rendeu algumas dificuldades. Um exemplo disto foram os problemas que apareceram no posicionamento do manipulador que falhava algumas vezes nos testes de repetição de movimentos devido à baixa qualidade de alguns componentes eletrônicos internos.

Mas, como o mundo é desafiador e a engenharia é uma grande protagonista desses desafios, o fato de o projeto apresentar algumas dificuldades apenas mostram que quanto mais aprendemos, mais precisamos evoluir e superar barreiras e este projeto foi uma pequena demonstração do que vai ser encarado ao longo da nova vida profissional.

REFERÊNCIAS

BRAGA, Newton. Reguladores de tensão 7800. Artigo 156. Disponível em: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1076-art156. Acesso em 20 ago. 2015.

ROMERO, Roseli Aparecida Francelin. Robótica Móvel – 1ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014. 302 p.

LINDER, Marcelo. Introdução à robótica móvel. Palestra. Disponível em: http://www.univasf.edu.br/~marcelo.linder/palestra1.pdf. Acesso em 10 out. 2015.

AGV COM MANIPULADOR ROBÓTICO

Abstract: This article discusses a project to develop an AGV (automatically guided vehicle) with robotic manipulator with 5 degrees of freedom driven by servo motor. The AGV is a line follower type, a very popular way of automatically guided vehicles widely used in industries and indoors. In this project, the "line" that guides the vehicle is made of an adhesive tape on the floor and can be white or black where there is a electronic board with five optical sensors which make the line reading based on the reflection of light by comparing the floor reflection with reflection of the tape, which also has a stop system made by an ultrasonic sensor. The robot must complete a circuit and make the stop at a specific point where the robotic handler will pick up a piece and put it on top of the vehicle itself to carry out the transportation of it.

Keywords: AGV. Robotic Handler. Arduino. Line Follower.