SISTEMA DE CONTROLE DE BRAÇO MECÂNICO AUTOMATIZADO

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Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza
GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO
Etec “Júlio de Mesquita”
Trabalho de conclusão de curso T
écnico em Mec
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Dis
Alan Rodrigues de Souza
Alex Sandro Martins Ferreira
Marcos Paulo de Melo
Ricardo Araujo Rodrigues
SISTEMA DE CONTROLE DE BRAÇO MECÂNICO AUTOMATIZADO
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2
SANTO ANDRÉ - 2013
ETEC “Júlio de Mesquita”
Alan Rodrigues de Souza
Alex Sandro Martins Ferreira
Marcos Paulo de Melo
Ricardo Araujo Rodrigues
SISTEMA DE CONTROLE DE BRAÇO MECÂNICO AUTOMATIZADO
Monografia apresentada à disciplina PTCC – ETEC “Júlio de Mesquita” para a obtenção do título de Técnico em Mecatrônica
Orientador: Prof. Ubirajara Cipriano Garcia
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SANTO ANDRÉ - 2013
AGRADECIMENTO
Agradeço a Deus por ter nos iluminado e dado força para a realização e conclusão deste trabalho.
Somos muito gratos ao orientador Prof. Ubirajara Cipriano Garcia pela orientação, esforço, apoio, incentivo e principalmente paciência. 
Ao Prof. Rinaldo Ferreira Martins ,que foi quem nos deu a idéia e nos forneceu o principal componente do nosso trabalho (o braço robótico), deu bastante apoio nos momentos inicias deste trabalho pelas discussões e dicas sobre o trabalho.
E a todas as pessoas que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a empresa Trucofer por ter fornecido ao grupo os principais componentes eletrônicos utilizados no trabalho.
Agradecemos também a ETEC “Júlio de Mesquita”, e a direção da escola, que nos deram autorização para que pudessemos utilizar o manipulador no nosso projeto.
Somos muito gratos a ajuda do Sr. Antônio Rodrigues, participando e dando dicas importantes na montagem do projeto.
“Algumas pessoas acham que foco significa dizer sim para a coisa em que você vai se focar. Mas não é nada disso. Significa dizer não às centenas de outras boas ideias que existem. Você precisa selecionar cuidadosamente.”
Steve Jobs
RESUMO
Este projeto consiste na construção de um sistema de controle automatizado e controle manual de um manipulador robótico que tem como finalidade executar seus movimentos, mostrando as vantagens na utilização de manipuladores na indústria, seja no auxílio em trabalhos de alta periculosidade ou que exijam precisão e agilidade na indústria metalúrgica e automobilística em geral, e até mesmo outros segmentos tais como na medicina, indústria alimentícia, etc . O sistema e formado por um manipulador robótico articulado vertical com cinco graus de liberdade, de juntas rotativas, e uma Garra.
O manipulador é controlado por meio de um circuito de inversão de motores comandado por um CLP (Controlador Lógico Programável), com a possibilidade de controle manual através de um Joystick.
 Justificativa
O objetivo de se substituir o ser humano em tarefas em que ele não poderia realizar, por causa de suas próprias limitações físicas, ou por envolverem condições desagradáveis ou extremas. Devido a essa necessidade, o projeto consiste na programação de um braço robótico controlado por CLP ou Joystick.
A utilização do braço robótico contribui em vários fatores como:
Fatores técnicos:
Aumento da precisão, força, rapidez, uniformidade e suporte a ambientes hótis, aumento dos índices de qualidade e redução de produtos/peças rejeitadas.
Fatores econômicos:
Utilização eficiente de unidades de produção intensivo, aumento da produtividade (inexistência de interrupções, etc.), redução do tempo de preparação da fabricação.
Fatores sociológicos:
Redução do número de acidentes, afastamento do ser humano de locais perigosos para a saúde, redução de horários de trabalho.
PALAVRAS - CHAVE: Manipulador robótico; CLP; Joystick
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Esquema de notação de elos e juntas num braço mecânico ilustrativo	14
Figura2: Sequência de elos numa junta de um braço robótico.	14
Figura 3: Braço robótico industrial com todas as suas partes	15
Figura 4: Eixos de um robô	16
Figura 5: Tipo de junta empregada no robô	17
Figura 6: Representação esquemática de juntas	17
Figura 7: Duas configurações distintas com movimentação idêntica: TVR e VRR	18
Figura 8: Robô de Coordenadas Cartesianas	21
Figura 9: Robô de Coordenadas Cilíndricas	22
Figura 10: Robô de Coordenadas Polares	23
Figura 11: Robô Articulado ou Revoluto	24
Figura 12: Robô SCARA	25
Figura 13: Modelo de garra de dois dedos	27
Figura 14: A ponte H básica	29
Figura 15: Funcionamento da ponte H	30
Figura 16: Controle manual usando duas chaves	31
Figura 17: Usando Darlingtons de potência	31
Figura 18: Comando lógico para motor com ponte H	32
Figura 19: Ponte H	42
Figura 20: Transistores	42
Figura 21: Resistores	43
Figura 22: Diodos	43
Figura 23: CLP Schneider Electric	44
Figura 24: Robô OWI - 007	45
Figura 25: Joystick	46
Figura26: Desenho AutoCAD 3D Mesa de Acrílico	47
Figura 25: Fotos da Montagem	48
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Esquema de notação para designar configurações de robôs	19
Tabela 2: Esquema de notação para designar configuracões de pulso	19
Tabela 3 - Materiais e Orçamento	39
Tabela 4 - Ferramentas e Instrumentos de Medição	40
Tabela 5 - Cronograma	41
1
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO	11
2 ROBÓTICA	12
 2.1 Introdução	12
 2.2 Robótica	12
 2.1 O Que é Robótica?	13
 2.3 Anatomia dos Braços Mecânicos	13
 2.4 Eixos de um Robô	15
 2.4.1 Juntas	16
 2.5 Configuração do Robô	18
 2.6 Tipos de Robô	20
 2.6.1 Geometria do Robô	20
 2.6.2 Robô de Coordenadas Cartesianas	20
 2.6.3 Robô de Coordenadas Cilíndricas	21
 2.6.4 Robô de Coordenadas Polares (Esféricas)	22
 2.6.5 Robô articulado ou revoluto	23
 2.6.6 Robô SCARA	25
 2.7 Órgão Terminal	26
 2.8 Precisão dos Movimentos	27
 2.8.1 Robô articulado ou revoluto	28
3 PONTES H	28
 3.1 Introdução	28
 3.2 Funcionamento	29
4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMAVÉL	33
 4.1 Introdução Conceitual – Histórico	33
 4.2 Vantagens do uso de Controladores Lógicos Programáveis	33
 4.3 Descrição dos Principais Itens	34
 4.3.1 Fonte de Alimentação	34
 4.3.2 Unidade de Processamento	34
 4.3.3 Bateria	34
 4.3.4 Memória do Programa Monitor	14
 4.3.5 Memória do Usuário	35
 4.3.6 Memória de Dados	35
 4.3.7 Memória de Imagem das Entradas / Saídas	35
 4.3.8 Auxiliares	36
 4.3.9 Módulos ou Interfaces de Entrada	36
5 METODOLOGIA	38
6 TABELA DE MATERIAIS E ORÇAMENTO	39
7 FERRAMENTAS E INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO	40
8 CRONOGRAMA	41
9 PRINCIPAIS COMPONENTES DO PROJETO	42
 9.1 PONTE H	42
 9.2 CLP Schneider Electric	44
 9.3 Robô OWI - 007	45
 9.4 Joystick	46
10 ANEXO	47
 10.1 Desenho AutoCAD 3D Mesa de Acrílico	47
 10.2 Fotos da Montagem	48
 10.3 Diagrama Ladder	52
11 CONCLUSÃO	55
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	56
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1- INTRODUÇÃO
O projeto consiste na construção de um sistema de controle automatizado e manual, uma programação lógica e um circuito de inversão de motores que juntos atuam no controle de movimentos de um manipulador. Através de um programa, que de forma lógica executa acionamento de motores que define a ação e os movimentos executados pelo manipulador. Durante a execução do programa são envidados comandos a placa de inversão de motores, constituída por cinco pontes h (uma para cada motor), cada motor atua individualmente numa sequencia de acordo com o programa que criamos para o CLP.
Também é possível controlar os movimentos do manipulador manualmente através de um Joystick.
Fatores técnicos:
Incremento da precisão, força,rapidez, uniformidade e suporte a ambientes hótis, incremento dos indices de qualidade e redução de peças rejeitadas.
Fatores econômicos:
Utilização eficiente de unidades de produção intensivo, aumento da produtividade (inexistência de interrupções, etc.), redução do tempo de preparação da fabricação.
Fatores sociológicos:
Redução do numero de acidentes, afastamento do ser humano de locais perigosos para a saúde, redução de horários de trabalho, aumento do poder de compra.
2 - ROBÓTICA
2.1 Introdução
Há muitos anos, os robôs faziam parte apenas da ficção científica, fruto da Imaginação do homem. No início dos anos 60, os primeiros robôs começaram a ser usadas com o objetivo de substituir o homem em tarefas que ele não podia realizar por envolverem condições desagradáveis, tipicamente contendo altos níveis de: calor; ruído; gases tóxicos; esforço físico extremo; trabalhos monótonos, "chatos".
Nos últimos 20 anos, as tendências que garantem a evolução dos robôs são: o constante aumento dos níveis salariais dos empregados; o extraordinário avanço tecnológico no ramo de computadores, que induz a redução dos preços do robô e uma significativa melhoria em seu desempenho.
A palavra robô (“robot”) tem origem da palavra tcheca robotnik, que significa servo.O termo robô foi utilizado inicialmente por Karel Capek em 1923, nesta época a idéia de um "homem mecânico" parecia vir de alguma obra de ficção. 
O grande escritor americano de ficção cientifica Isaac Asimov estabeleceu quatro leis muito simples para a robótica:
1a lei: "Um robô não pode ferir um ser humano ou, permanecendo passivo, deixar um ser humano exposto ao perigo".
2a lei: "O robô deve obedecer as ordens dadas pelos seres humanos, exceto se tais ordens estiverem em contradição com a primeira lei".
3a lei: "Um robô deve proteger sua existência na medida em que essa proteção não estiver em contradição com a primeira e a segunda lei".
4a lei: "Um robô não pode causar mal a humanidade nem permitir que ela própria o faça".
A quarta e última lei foi escrita por Asimov em 1984.
A ideia de se construir robôs começou a tomar força no inicio do século XX com a necessidade de aumentar a produtividade e melhorar a qualidade dos produtos. E nesta época que o robô industrial encontrou suas primeiras aplicações.
Atualmente devido aos inúmeros recursos que os sistemas de microcomputadores, os atuadores e os sensores nos oferece, a robótica atravessa uma época de continuo crescimento que permitira, em um curto espaço de tempo, o desenvolvimento de robôs inteligentes fazendo assim com que a ficção do homen antigo torne-se realidade do homen atual.
2.2 O Que é Robótica?
Podemos definir como robótica o controle de mecanismos eletro-eletrônicos através de um computador, transformando-o em uma máquina capaz de interagir com o meio ambiente e executar ações decididas por um programa criado pelo programa-dor a partir destas interações. 
Podemos exemplificar o uso da robótica em diversas áreas de conhecimento. Na engenharia temos os robôs que mergulham a grandes profundidades para auxiliar em reparos nas plataformas de petróleo; na medicina, os robôs já auxiliam as cirur-gias de alto risco.
Outras aplicações podem ser menos percebidas, tal como a impressora que também e um robô.
2.3 Anatomia dos Braços Mecânicos
O braço robótico é composto pelo braço e pulso. O braço consiste de elementos denominados elos unidos por juntas de movimento relativo, onde são acoplados os acionadores para realizarem estes movimentos individualmente, dotados de capacidade sensorial, e instruídos por um sistema de controle. O braço e fixado a base por um lado e ao punho pelo outro. O punho consiste de varias juntas próximas entre si, que permitem a orientação do órgão terminal nas posições que correspondem a tarefa a ser realizada. Na extremidade do punho existe um órgão terminal (mão ou ferramenta) destinada a realizar a tarefa exigida pela aplicação. A Figura 1 mostra esquematicamente uma sequencia de elos e juntas de um braço robótico. Nos braços reais, a identificação dos elos e juntas nem sempre e fácil, em virtude da estrutura e de pecas que cobrem as juntas para protege-las no ambiente de trabalho.
Figura 1: Esquema de notação de elos e juntas num braço mecânico ilustrativo.
Numa junta qualquer, o elo que estiver mais próximo da base é denominado elo de entrada. O elo de saída e aquele mais próximo do órgão terminal, como ilustrado na Figura2.
 Figura2: Sequência de elos numa junta de um braço robótico.
A Figura 3 mostra um braço robótico industrial, com todas as suas partes.
Figura 3: Braço robótico
2.4 Eixos de um Robô
O braço manipulador de um robô é capaz de se mover para várias posições porque possui uniões ou juntas, também denominadas eixos, que permitem ao manipulador executar tarefas diversas. O movimento da junta de um robô pode ser linear ou rotacional.
O número de juntas de um robô determina seus graus de liberdade; a maioria dos robôs possui de 3 a 6 eixos. Estes eixos podem ser divididos em duas classes: eixo do corpo e eixo da extremidade do robô. Os eixos da base do corpo do robô permitem mover seu órgão terminal para uma determinada posição no espaço. Estes eixos são denominados cintura, ombro e cotovelo (waist, shoulder e elbow). Os eixos da extremidade do robô permitem orientar seu órgão terminal e são denominados roll, pitch e yaw (fig. 4). Um robô com 6 eixos, sendo 3 para o posicionamento e três para a orientação, é compatível com qualquer tarefa que seja realizada dentro de seu volume de trabalho; com menos de 6 graus de liberdade não se alcançam todos os pontos de um ambiente de trabalho. Um robô com mais de 6 eixos é denominado robô redundante, ou seja, tem mais graus de liberdade do que o mínimo requerido para a execução da tarefa.
Figura 4: Eixos de um robô.
2.4.1 Juntas
As juntas utilizadas em nosso trabalho são do tipo rotacional. Onde sua função é descritas a seguir, e na Figura 5 podem ser visualizadas.
• A junta rotacional: Gira em torno de uma linha imaginaria estacionaria chamada de eixo de rotação.Ela gira como uma cadeira giratória e abrem e fecham como uma dobradiça;
Figura 5: Tipo de junta empregada no robô.
Robôs industriais utilizam em geral apenas juntas rotativas e prismáticas. As juntas rotativas podem ainda ser classificadas de acordo com as direções dos elos de entrada e de saída em relação ao eixo de rotação. Tem-se assim as seguintes juntas rotativas:
• Rotativa de torção ou torcional T: Os elos de entrada e de saída tem a mesma direção do eixo de rotação da junta.
• Rotativa rotacional R: Os elos de entrada e de saída são perpendiculares ao eixo de rotação da junta.
• Rotativa revolvente V: O elo de entrada possui a mesma direção do eixo de rotação, mas o elo de saída e perpendicular a este.
A Figura 6 mostra uma representação esquemática destas juntas, e também da junta prismática.
Figura 6: Representação esquemática de juntas
Robôs industriais adotam com frequência soluções que tornam o reconhecimento das juntas mais complexo. De fato, dependendo da forma com que os elos são construídos numa representação esquemática, a nomenclatura do braço pode ser ambígua. A Figura 7 ilustra um mesmo manipulador representado de duas formas distintas. A movimentação e igual em ambos os esquemas. Este braço poderia ser denominado, indistintamente, de TVR ou VRR.
Para tornar a identificação única deve-se buscar uma geometria onde os elos sejamformados por, no máximo, dois segmentos lineares. Neste caso, a configuração VRR seria a correta.
Figura 7: Duas configurações distintas com movimentação idêntica: TVR e VRR.
2.5 Configuração do Robô
A configuração física dos robôs esta relacionada com os tipos de juntas que ele possui. Cada configuração pode ser representada por um esquema de notação de letras, como visto anteriormente. Considera-se primeiro os grausde liberdade mais próximos da base, ou seja, as juntas do corpo, do braço e posteriormente do punho. A notação de juntas rotativas, prismáticas e de torção.
Como visto anteriormente, um braço mecânico e formado pela base, braço e punho. O braço e ligado a base e esta e fixada ao chão, a parede ou ao teto. E o braço que efetua os movimentos e posiciona o punho. O punho e dotado de movimentos destinados a orientar (apontar) o órgão terminal. O órgão terminal executa a ação, mas não faz parte da anatomia do braço robótico, pois depende da aplicação a ser exercida pelo braço. A movimentação do braço e a orientação do punho são realizadas por juntas, que são articulações providas de motores. Em resumo, a base sustenta o corpo, que movimenta o braço, que posiciona o punho, que orienta o órgão terminal, que executa a ação. Em geral utilizam-se 3 juntas para o braço e de 2 a 3 juntas para o punho. Os elos do braço são de grande tamanho, para permitir um longo alcance. Por outro lado, os elos do punho são pequenos, e, às vezes, de comprimento nulo, para que o órgão terminal desloque-se o mínimo possível durante a orientação do punho.
Adota-se uma nomenclatura para os manipuladores com base nos tipos de juntas utilizadas na cadeia de elos, que parte da base em direção ao órgão terminal. Assim um manipulador TRR teria a primeira junta (da base) torcional, e as duas seguintes seriam rotacionais. O punho segue a mesma notação, porém separa-se o corpo do punho por dois pontos “:”, por exemplo, TRR:RR. As configurações típicas para o braço e o punho de robôs industriais são apresentadas nas Tabelas 1 e 2. A Figura 9 mostra a configuração de um punho TRT. Os braços industriais mais comuns descritos nas seções seguintes.
 
 Tabela 1: Esquema de notação para designar configurações de robôs
 Tabela 2: Esquema de notação para designar configurações do pulso
2.6 Tipos de Robô
Os robôs são classificados de acordo com o número de eixos, tipo de controle, tipo de acionamento, e geometria.
2.6.1 Geometria do Robô
Os eixos do corpo de um robô podem ser encontrados em várias combinações de configurações rotacionais e lineares, dependendo da aplicação. Estas combinações são denominadas geometria do robô.
Existem cinco classes principais de robôs manipuladores, segundo o tipo de juntas (de rotação ou de revolução -R-, ou de translação ou prismáticas -P- ), o que permite diferentes possibilidades de posicionamento no volume de trabalho. As cinco classes ou geometrias principais de um robô são: cartesiana, cilíndrica, polar (ou esférica), de revolução (ou articulada) e SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly). Estes estilos são também denominados sistemas geométricos coordenados, posto que descrevem o tipo de movimento que o robô executa.
2.6.2 Robô de Coordenadas Cartesianas
O robô de coordenadas cartesianas, ou robô cartesiano (fig. 8), pode se mover em linhas retas, em deslocamentos horizontais e verticais. As coordenadas cartesianas especificam um ponto do espaço em função de suas coordenadas X, e y Z.
 Figura 8: Robô de Coordenadas Cartesianas
2.6.3 Robô de Coordenadas Cilíndricas
O robô de coordenadas cilíndricas combina movimentos lineares com movimentos rotacionais. Normalmente, este tipo de robô possui um movimento rotacional na cintura (waist) e dos movimentos lineares (fig. 9); os movimentos destes eixos descrevem um cilindro.
Figura 9: Robô de Coordenadas Cilíndricas
2.6.4 Robô de Coordenadas Polares (Esféricas)
O robô de coordenadas polares ou esféricas possui dois movimentos que são rotacionais na cintura e ombro (waist e shoulder) e um terceiro movimento que é linear. Estes três eixos descrevem uma esfera (fig. 10).
Figura 10: Robô de Coordenadas Polares
2.6.5 Robô articulado ou revoluto
Estes tipos de robôs, possuem 3 juntas rotativas, conforme ilustrada na Figura 11. Eles são os mais usados nas indústrias, por terem uma configuração semelhante ao do braço humano, (braço, antebraço e pulso). O pulso e unido à extremidade do antebraço, o que propicia juntas adicionais para orientação do órgão terminal. Este modelo de configuração e o mais versátil dos manipuladores, pois assegura maiores movimentos dentro de um espaço compacto. Os braços revolutos podem ser de dois tipos: cadeia aberta ou cadeia parcialmente fechada. Nos primeiros pode-se distinguir facilmente a sequência natural formada por elo-junta, da base ate o punho. Nos braços de cadeia parcialmente fechada o atuador da terceira junta efetua o movimento desta por meio de elos e articulações não motorizadas adicionais.
Figura 11: Robô articulado ou revoluto.
2.6.6 Robô SCARA
O robô SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly) é uma configuração recente utilizada para tarefas de montagem, como seu nome sugere. Embora tal configuração possua os mesmos tipos de juntas que uma configuração esférica (Rotacional-Rotacional-Prismática, RRP), ela se diferencia da esférica tanto pela sua aparência quanto pela sua faixa de aplicação. A figura 12 ilustra a estrutura de um robô SCARA.
Figura 12: Robô SCARA
2.7 Órgão Terminal
Na robótica, órgão terminal é usado para descrever a mão ou ferramenta que esta conectada ao pulso, como por exemplo, uma pistola de solda, garras, pulverizadores de tintas, entre outros. O órgão terminal é o responsável por realizar a manipulação de objetos em diferentes tamanhos, formas e materiais, porém esta manipulação depende da aplicação ao qual se destina.
É valido ressaltar que os órgãos terminais requerem cuidados ao serem projetados, pois é necessário controlar a força que está sendo aplicada num objeto. Para isso, alguns órgãos terminais são dotados de sensores que fornecem informações sobre os objetos.
Existe uma grande variedade de modelos de garras que podem ser utilizadas em diversas aplicações como por exemplos:
· Garra de dois dedos;
· Garra pra objetos cilíndricos;
· Garra articulada.
A garra de dois dedos, como pode ser visualizada na figura 11, é um modelo simples e com movimentos paralelos ou rotacionais. Este modelo de garra proporciona pouca versatilidade na manipulação dos objetos, pois existe limitação na abertura dos dedos. Desta forma a dimensão dos objetos não pode exceder esta abertura.
Figura 13: Modelo de garras de dois dedos
2.8 Precisão dos movimentos
A precisão de movimento esta intrinsecamente correlacionada com três características, como segue:
• Resolução espacial
• Precisão
• Repetibilidade.
A resolução espacial depende diretamente do controle de sistema e das inexatidões mecânicas do braço robótico. O sistema de controle e o responsável por controlar todos os incrementos individuais das articulações. Já as inexatidões relacionam-se com a qualidade dos componentes que formam as uniões entre as articulações, como as folgas nas engrenagens, tensões nas polias, e histereses mecânicas e magnéticas, entre outros fatores. A precisão esta relacionada com a capacidade de um braço posicionar o seu pulso em um ponto marcado dentro do volume de trabalho. A precisão relaciona-se com a resolução espacial, pois a precisão depende dos incrementos que as juntas podem realizar para se movimentar e atingir um ponto determinado.
Por fim, a repetibilidade esta relacionada com a capacidade do braço robótico de posicionar repetidamente seu pulso num ponto determinado. Estes movimentos podem sofrer influencias de folgas mecânicas, da flexibilidade e das limitações do sistema de controle.
2.8.1 Transmissão de Potência
Na maioria dos braços robóticos não é possível encontrar acionadores com as propriedades exatas de velocidadetorque ou de velo cidadeforça. Sendo assim, existe a necessidade de se usar algum tipo de dispositivo de transmissão de potência. Para isso podese usar correiase polias, correntes e rodas dentadas, engrenagens, eixos de transmissão e parafusos. 
Um exemplo de dispositivo de transmissão simples e bastante utilizado em robôs é a engrenagem. As engrenagens possuem movimentos rotativos e a transferência pode ser entre eixos perpendiculares ou eixos paralelos. O número de dentes numa engrenagem é proporcional a seu diâmetro, então a relação das engrenagens é obtida por: 
ƞ= N1/ N2
Onde N1 é o número de dentes do pinhão e N2 é número de dentes da coroa.
A velocidade da saída em relação à entrada é dada por: 
ωo= ƞ. ωin
Em que ωo é a velocidade de saída e ωin é a velocidade de entrada. O torque vale:
 
To= Tin/ ƞ
3 PONTES H
3.1 Introdução
Ponte H é um circuito eletrônico que permite o controle de um motor DC, que muitas vezes o controlador não possui corrente necessária para o funcionamento do motor, e ainda torna possível que o motor gire tanto para um sentido quanto o outro. Estes circuitos são geralmente utilizados em robótica e estão disponíveis em circuitos prontos ou podem ser construídos por componentes.
O nome ponte H é dado pela forma que assume o circuito quando montado. O ciruito é construído com quatro transistores ( T1-T4 ) que são acionados de forma alternada ( T1 eT4 ou T2 e T3). Para cada configuração dos transistores o motor gira em um sentido. Os transistores T1 e T2 assim como os transistores T3 e T4 ao serem acionados ao mesmo tempo ocasiona a frenagem do motor controlado.
3.2 Funcionamento
Na figura 14 temos o circuito básico de uma ponte H usando transistores bipolares comuns, e a partir de onde analisaremos o seu princípio de funcionamento.
Figura 14: A ponte H básica.
A idéia básica neste circuito é fazer com que dois dos quatro transistores conduzam de cada vez, e de uma maneira que o sentido de circulação da corrente pelo motor possa ser invertido.
Assim, se deixarmos no corte Q2 e Q3 e levarmos Q1 e Q4 saturados, conforme mostra a figura 15(a), a corrente circula pelo motor num sentido, e se fizermos agora com que Q2 e Q3 fiquem saturados e Q1 e Q4 sejam levados ao corte, a corrente circula no sentido oposto veja exemplo na figura 15(b).
 Figura 15: Funcionamento da ponte H.
Para obter esta operação podemos facilmente empregar um circuito de comando manual indicado na figura 16, em que a posição da chave ou de um relé determina qual par de transistores vai conduzir.
 Figura 16: Controle manual usando duas chaves.
Evidentemente, num circuito como o indicado, os transistores devem ser dimensionados para suportar as correntes exigidas pelo motor. Na prática, para aplicações com pequenos motores de 6 V ou 12 V indicamos os BD135 para correntes até 1 A, e os TIP31 para correntes até uns 2 ou 2,5 A. Os 2N3055 podem ser usados com motores maiores, no entanto, também precisam de uma corrente maior de controle.
Uma alternativa para operar motores de correntes elevadas, controlando-os com pequenas correntes, é o uso de transistores Darlington de potência como no circuito ilustrado na figura 17.
 
Figura 17: Usando Darlingtons de potência.
Nestes circuitos um pequeno problema pode significar uma certa instabilidade, dependendo da aplicação: o transistor fica no corte por falta de polarização de base, ou seja, opera com a base aberta.
Podemos melhorar isso com um comando lógico que faz com que os transistores NPN que devam ficar no corte tenham sua base colocada à terra (nível baixo), e os transistores que devem ser levados à saturação fiquem no nível alto. Este circuito é apresentado na figura 18, com a vantagem de que a comutação dos estados para os pares de transistores é comandada pelo sinal de entrada.
Figura 18: Comando lógico para motor com ponte H.
Em outras palavras, neste circuito o sentido de rotação do motor depende do nível lógico aplicado à entrada.Uma situação intermediária que deve ser prevista é a que leva todos os transistores ao corte, caso precisemos parar o motor.Uma solução simples consiste em controlar diretamente a corrente que alimenta o circuito de potência com um relé ou outro tipo de comutador como, por exemplo, um transistor de potência adicional em série.
4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMAVÉL
4.1 Introdução Conceitual – Histórico 
O Controlador Lógico Programável (CLP ) nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controla de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro.
Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos à reles, não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira.
Nascia assim, um equipamento bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente, diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações, o que justifica hoje ( junho/1998) um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais.
Desde o seu aparecimento, até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos, como a variedade de tipos de entradas e saídas, o aumento da velocidade de processamento, a inclusão de blocos lógicos complexos para tratamento das entradas e saídas e principalmente o modo de programação e a interface com o usuário. 
4.2 Vantagens do uso de Controladores Lógicos Programáveis
- Ocupam menor espaço;
- Requerem menor potência elétrica;
- Podem ser reutilizados;
- São programáveis, permitindo alterar os parâmetros de controle;
- Apresentam maior confiabilidade;
- Manutenção mais fácil e rápida;
- Oferecem maior flexibilidade;
- Apresentam interface de comunicação com outros CLPs e computadores de controle;
- Permitem maior rapidez na elaboração do projeto do sistema.
4.3 Descrição dos Principais Itens
4.3.1 Fonte de Alimentação:
A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas:
- Converter a tensão da rede elétrica (110 ou 220 VCA) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos,
(+ 5VCC para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 VCC para a comunicação com o programador ou computador);
- Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória do tipo R.A.M.;
- Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 VCC).
4.3.2 Unidade de Processamento:
	
Também chamada de CPU é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos CLPs modulares a CPU está em uma placa (ou módulo) separada das demais, podendo - se achar combinações de CPU e Fonte de Alimentação. Nos CLPs de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comum são :
- Microprocessadores ou Microcontroladores de 8 ou 16 bits (INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx, ZILOG Z80xx, PIC 16xx);
- Endereçamento de memória de até 1 Mega Byte;
- Velocidades de CLOCK variando de 4 a 30 MHZ;
- Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais
4.3.3 Bateria:
As baterias são usadas nos CLPs para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter parâmetros ou programas (em memórias do tipo RAM), mesmo em caso de corte de energia , guardar configurações de equipamentos etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Mi - Ca ou Li. Neste casos,incorporam-se circuitos carregadores.
4.3.4 Memória do Programa Monitor:
O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do CLP. Ele é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM , EPROM ou EEPROM. Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o CLP, gerênciar o estado da bateria do sistema, controlar os diversosopcionais etc.
4.3.5 Memória do Usuário:
É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de CLPs é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM , sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM (cujo programa é mantido pelo uso de baterias) , EEPROM e FLASH-EPROM , sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do CLP, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa.
4.3.6 Memória de Dados:
É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do CLP. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do
programa do usuário. Em alguns CLPs , utiliza - se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia.
4.3.7 Memória de Imagem das Entradas / Saídas:
Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas, ela armazena o estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada Memória Imagem das Entradas / Saídas. Essa região de memória funciona como uma espécie de “tabela ” onde a CPU irá obter informações das entradas ou saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário.
4.3.8 Auxiliares:
São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do CLP. Alguns deles são:
- POWER ON RESET: Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é possível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída , que pode causar um acidente , existe um circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que se energiza o equipamento. Assim que o microprocessador assume o controle do equipamento esse circuito é desabilitado.
- POWER - DOWN: O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente desenergizado. O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limite pré - determinado, o circuito é acionado interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil.
- WATCH - DOG - TIMER: Para garantir no caso de falha do microprocessador, o programa não entre em “loop”, o que seria um desastre, existe um circuito denominado “Cão de Guarda“, que deve ser acionado em intervalos de tempo pré - determinados . Caso não seja acionado, ele assume o controle do circuito sinalizando um falha geral.
4.3.9 Módulos ou Interfaces de Entrada:
São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa ser processado pela CPU ( ou microprocessador ) do CLP . Temos dois tipos básicos de entrada: as digitais e as analógicas.
ENTRADAS DIGITAIS: São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado, e alguns dos exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são :
- Botoeiras;
- Chaves (ou micro) fim de curso;
- Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos;
- Chaves comutadoras;
- Termostatos;
- Pressostatos;
- Controle de nível (bóia);
- Etc.
As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua (24 VCC) ou em corrente alternada ( 110 ou 220 VCA ). Podem ser também do tipo N (NPN) ou do tipo P (PNP). No caso do tipo N, é necessário fornecer o potencial negativo (terra ou neutro) da fonte de alimentação ao borne de entrada para que a mesma seja ativada. No caso do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo (fase) ao borne de entrada. Em qualquer dos tipos é de praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU. Esta isolação é feita normalmente através de optoacopladores.
As entradas de 24 VCC são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e o CLP não excedam 50 m. Caso contrário, o nível de ruído pode provocar disparos acidentais.
5 METODOLOGIA
Inicialmente o grupo decidiu o tema do trabalho, em seguida começamos a pesquisar sobre braços robóticos, o controlador que seria utilizado e construção de um sistema para inversão de motores. Depois de toda pesquisa feita começamos a definir os materiais que seriam utilizados no projeto.
Por fim, iniciamos a construção de todo o projeto em si, começando pela placa com as 5 pontes H, instalando 2 fins de curso na parte interna do robô, que são responsáveis pelo posicionamento da cintura do robô, 2 fins de curso na parte externa do robô que são responsáveis pelos posicionamentos na descida do ombro e cotovelo, projeto e montagem da mesa, onde estão fixados na parte inferior toda parte eletrônica responsável pelo controle de movimentos, e em sua parte superior estão montados o robô e uma rampa por onde corre uma esfera que ativa o fim de curso no final de seu trajeto, esse fim de curso é responsável pela ativação do ciclo automático do robô.
Quando a esfera ativa o fim de curso no início da rampa o robô começa a se movimentar de acordo com a programação, ele pega a esfera e a levanta, depois ele a leva até o outro lado da rampa e a solta. A esfera percorre todo o caminho até ativar o fim de curso novamente, dando início ao ciclo mais uma vez. Esse processo é contínuo, só pode ser interrompido se desligarmos a alimentação, ou se a esfera for retirada da rampa antes do primeiro fim de curso da cintura do robô ser ativado.
6 TABELA DE MATERIAIS E ORÇAMENTO
	Componentes
	Quantidade
	Valor p/ Unidade
	TOTAL
	Diodos 1n4007
	30
	R$ 0,20
	R$ 6,00
	Tip 41
	10
	R$ 1,20
	R$ 12,00
	Tip 42
	10
	R$ 1,20
	R$ 12,00
	BC548
	10
	R$ 0,20
	R$ 2,00
	Resistor 1 kΩ
	12
	R$ 0,10
	R$ 1,20
	Resistor 460Ω
	2
	R$ 0,10
	R$ 0,20
	Regulador de tensão LM317 
	1
	R$ 3,20
	R$ 3,20
	Dissipador de Calor 
	1
	R$ 3,00
	R$ 3,00
	Pasta Térmica 
	1
	R$ 2,50
	R$ 2,50
	Verniz para Placa 
	1
	R$ 26,90
	R$ 26,90
	Placa de Fenolite 30x30
	1
	R$ 30,00
	R$ 30,00
	Percloreto de Ferro 
	1
	R$ 22,90
	R$ 22,90
	Fonte de 5 V 
	1
	R$ 15,00
	R$ 15,00
	Fonte 24 V
	1
	R$ 90,00
	R$ 90,00
	Led’s 
	10
	R$ 1,00
	R$ 10,00
	Joystick
	1
	R$ 10,00
	R$ 10,00
	Tubos 16x16x800 mm aço cromado 
	4
	R$ 10,00
	R$ 40,00
	CLP Schneider Electric 
	1
	R$ 1.000,00
	R$ 1.000,00
	Chapa de acrílico 5x1000x1000mm 
	1
	R$ 155,00
	R$ 155,00
	Robo OWI 007 
	1
	R$ 400,00
	R$ 400,00
	Tubo de PVC 
	1 m
	R$ 5,00
	R$ 5,00
	Parafusos Allen M6x40mm 
	10
	R$ 0,30
	R$ 3,00
	Porca M6
	20
	R$ 0,15
	R$ 3,00
	Arruelas 
	20
	R$ 0,10
	R$ 2,00
	Trilhos
	1,5 m
	R$ 5,00
	R$ 7,50
	Disjuntor
	1
	R$ 50,00
	R$ 50,00
	Botão com trava
	1
	R$ 5,00
	R$ 5,00
	Botão de emergência
	1
	R$ 7,00
	R$ 7,00
	Caixa de Botoeira
	1
	R$ 10,00
	R$ 10,00
	Cabo ∅0,5 mm 
	8 m
	R$ 0,80
	R$ 6,40
	TOTAL
	R$ 1.940,80
7 FERRAMENTAS E INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO
	
	
	
	
8 CRONOGRAMA	
	 
	2012
	2013
	
	
	Ago
	Set
	Out
	Nov
	Dez
	Jan
	Fev
	Mar
	Abr
	Mai
	Jun
	
	Formação do grupo
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Pesquisas
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Definição do tema
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Obtenção do Manipulador
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Elaboração Ponte H
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Pesquisa dos mat. utilizados
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Construção do Circuito
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Programação
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Montagem da MesaConstrução da Rampa
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Testes e Ajustes
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	Monografia
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	 
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
9 PRINCIPAIS COMPONENTES DO PROJETO
9.1 PONTE H
 Ponte H, um circuito eletrônico usado no controle de motor DC.
O circuito é composto por:
-Transistores Tip 41, Tip 42 e BC548
 
	-Resistores 1 kΩ e Resistor 460 Ω
 
	-Diodos 1n4007
 
 
9.2 CLP Schneider Electric 
Especificações
Alimentação: 24V
12 entradas
8 saídas à relé
Software utilizado: Zelio 
9.3 Robô OWI - 007
Especificações Técnicas
Cinco eixos de movimento:
• Base Direita/ Esquerda 350 graus
• Ombro 120 graus
• Cotovelo 135 graus
• Pulso rotação CW & CCW 340 graus
• Pinças abrir e fechar 50 mm (2 in)
Dimensões do produto:
• Comprimento Máximo Cedido = 360 mm (14,2 in)
• Altura Máxima = 510 mm (20,1 in)
• Capacidade de elevação Max = 130 g (4,6 oz.)
9.4 Joystick
Mapa de comandos manuais.
10 ANEXOS
10.1 Desenho AutoCAD 3D Mesa de Acrílico
Materiais Utilizados:
- Chapa de acrílico 5 x1000 x 1000
- Tubos de aço ABNT 1020 cromados 15 x 15 x800
- Parafusos Allen M6 x 40
- Porcas M6
- Arruelas
10.2 Fotos da Montagem
	
10.3 Diagrama Ladder
Legendas
Q = Output (Saída)
I = Input (Entrada)
T = Temporizador
M = Memória (Flag)
11 CONCLUSÃO
Houve um grande aprendizado em procedimentos técnicos e teóricos devido à elaboração dessa monografia, com a experiência de criar um projeto tivemos que bater de frente com problemas ocasionais que ocorreram, como falta de tempo, alguns erros em certas tarefas que pareciam simples, mas que no fim se tornaram um pouco complicadas, como por exemplo, no posicionamento e ajuste dos fins de curso do robô, também tivemos alguns problemas no dimensionamento da área de trabalho do robô, então tivemos que desenvolver algumas soluções práticas e econômicas no andamento do projeto. 
Devido a isso houve um grande crescimento particular em todos os membros do grupo, desenvolvimento que engloba as noções de responsabilidades, o desenvolvimento de tarefas e aprendizado de novos ofícios, o respeito na divisão de tarefas e a cooperação em meio às dificuldades, ajudando-nos a crescermos como pessoas.
O projeto nos proporcionou noções básicas e em muitos casos até uma noção complexa e aprofundada de diversos assuntos de diversas áreas, mas especificamente das áreas de mecatrônica, robótica, eletrônica.
Sobre o braço robótico, podemos dizer que sua parte “estrutural” atende a proposta desejada desde o começo do trabalho, juntamente com a programação e o sistema de controle do mesmo.
Com base nisso o Projeto do braço mecânico foi concluído no tempo previsto,podendo ser trabalhado e melhorado, atendendo todas as nossas expectativas, desde os imprevistos e dificuldades iniciais até o projeto concluído e funcionando conforme o planejado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BIANCHI, Reinaldo. Robótica. Centro Universitário da FEI. (2006). Apostila disponível em: http://www.fei.edu.br/~rbianchi/robotica/
GOZZI, Giuliano. Curso Automação Industrial. Faatesp (2006). Apostila disponível em:http://www.faatesp.edu.br/publicacoes.asp?PagePosition=1&search=cnc&mode=allwords
LYNXMOTION, Portal de robot kits e componentes. Disponível em:
http://www.lynxmotion.com/ViewPage.aspx?ContentCode=assembly&CategoryID=19#arms
KERAMAS, James G. Robot Technology Fundamentals
LUNG-WEN TSAI. Robot analysis
ROMANO, Vitor F. Robótica Industrial
Controlador Lógico Programável. Apostila disponível em:
http://aquarius.ime.eb.br/aecc/Automacao/Controladores_Logicos_Programaveis.pdf
http://www.ebah.com.br/content/ABAAABCDQAB/introducao-clp
Ponte H. Disponível em:
http://robolivre.org/conteudo/ponte-h
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/1213-ponte-h-com-pwm