3.3 ESTRUTURA ROBÓTICA
3.3.5 Montagem dos eixos
Para o eixo quadrado de 3,15 mm poder girar sem transladar radialmente nas seções onde este eixo será apoiado, estas seções devem ter o mesmo diâmetro que o apoio.
Portanto, também foram feitos, por meio de eletro-erosão, pequenos cilindros de 6 mm de diâmetro com furos quadrados para o eixo (Figura 32). Desta forma, o eixo terá perfil cilíndrico nas seções onde será apoiado.
Figura 32: Buchas de 6 mm para eixos quadrados Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Por interferência, estes pequenos cilindros, junto com os acopladores (Figura 33), especificados anteriormente, serão introduzidos nos eixos quadrados exatamente em suas posições já projetadas.
Figura 33: Eixos montados Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Figura 34: Chapas da estrutura em alumínio Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Cada furação feita nas chapas possui uma função estrutural no sistema como:
mancal para os eixos, suporte para o motor, suporte para mancal auxiliar e fixação.
Portanto, será detalhada a montagem de cada face para facilitar a visualização de cada furação.
3.3.6.1 Montagem lateral 1
Esta lateral segura apenas uma roda dentada movida que é responsável por transmitir a rotação para uma das rodas. Como o eixo desta roda dentada só será apoiado
Lateral 1 Lateral 2
Lateral 3
Lateral 4
Tampa
em uma lateral, o eixo tem uma flecha capaz de desequilibrar toda a estrutura. Portanto, o eixo desta lateral precisa de um segundo apoio fixado na lateral por meio de parafusos M5 e espaçado por cilindros vazados de alumínio. Os componentes para a montagem da lateral 1 e a montagem completa, podem ser visualizados nas Figuras 35 e 36.
Figura 35: Componentes da lateral 1 Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Figura 36: Lateral 1 montada Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
dois pinhões responsáveis pela movimentação das rodas dentadas dos eixos das rodas. Os componentes para a montagem da lateral 2 e a montagem completa, podem ser visualizados nas Figuras 37 e 38.
Figura 37: Componentes da lateral 2 Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Figura 38: Lateral 2 montada Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
3.3.6.3 Montagem tampa
O segundo motor do robô está montado na tampa da estrutura. Esta tampa tem a função de segurar o eixo do motor junto às outras quatro laterais por meio de parafusos M3, garantindo assim que uma união robusta do conjunto estrutural.
O eixo do motor é acoplado a outro eixo que contém uma roda dentada cônica que, conforme visto na configuração dos eixos (Figuras 23), aciona o eixo das outras duas rodas. Os componentes para a montagem da tampa e a montagem completa, podem ser visualizados nas Figuras 39 e 40.
Figura 39: Componentes da tampa Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Figura 40: Tampa montada Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
parafusos. Este ajuste é extremamente importante para garantir o alinhamento dos eixos e da tampa. Caso haja algum desalinhamento na união das laterais, não será possível fechar a estrutura com a tampa. Os componentes para a montagem final e montagem completa, podem ser visualizados nas Figuras 41, 42 e 43.
Figura 41: Componentes da montagem final Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Figura 42: Montagem das quatro laterais Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Figura 43: Montagem da tampa Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Para finalizar a estrutura, as rodas omnidirecionais são introduzidas em cada eixo e travadas por pressão por um anel elastômero de 2 mm de diâmetro, como mostra as Figuras 44 e 45.
Figura 44: Componentes da montagem das rodas Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Figura 45: Montagem mecânica final Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
3.4 HP C6602
Anteriormente, havia sido declarado o uso de um cartucho de tinta de 12 bicos e 96 dpi, com nome comercial HP 51604. Este cartucho pertence à família TIJ 1.0 (termal inkjet). Trata-se dos primeiros cartuchos desenvolvidos pela HP e hoje são utilizados como soluções OEM (Original Equipment Manufacturing).
Os cartuchos desta família necessitam de um cabeçote que fará a comunicação entre a Raspberry Pi e o cartucho, porém o cabeçote do HP 51604 já está fora de linha e comercialmente indisponível.
Através de pesquisas de outros projetos sobre os cartuchos TIJ 1.0 [18], foi encontrado um cartucho da mesma família e com as mesmas especificações citadas sobre o HP 51604. Este cartucho é na verdade uma versão aprimorada do seu antigo irmão e pode ser encontrado em abundância em lojas online do Brasil por um preço razoável.
Trata-se do HP C6602 (Figura 46), disponível nas cores pretas, vermelhas e azuis, além de possuir um cabeçote exclusivo, o HP Q2347 também disponível em lojas online.
Figura 46: HP C6602 Fonte: [26]
Figura 47: Cabeçote HP Q2347 Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
O cabeçote HP Q2347 (Figura 47) acopla os contatos do HP C6602 a um cabo flat flexível e necessita de um conector para fazer interface com o circuito vindo da Raspberry Pi. Este conector é conhecido como conector FFC (flexible flat cable) e vem em diversos tamanhos e números de pinos. Como o conector FFC 16 (Figura 48) vem com um cabo flat de 16 conexões, o conector FFC escolhido possui a anatomia conforme figura abaixo.
Figura 48: Conector FFC 16 pinos Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
3.5 CIRCUITO ELETRÔNICO
3.5.1 Alimentação
Quando começamos a testar o circuito proposto no início do projeto nos deparamos com uma peculiaridade do regulador linear da família LM78XX, a diferença de potencial entre a entrada e a saída nele não pode ser muito elevada. Na verdade, o recomendado de
sua aplicação é que a diferença da tensão seja em média de 2V. Chegamos a esta conclusão depois de analisar o circuito com a ajuda de alguns professores do departamento da elétrica e assim nos foi indicado a utilização dos CI’s da família LM2575 que são chaveados e aceitam elevada diferença de potência na entrada.
Como o projeto é composto dos mais variados componentes, procuramos selecionar os modelos mais compatíveis entre si e foi possível encontrar componentes com faixas de tensão padrão, porém, não a mesma tensão para todos.
Sintetizando, a Raspberry Pi tem consumo especificado pelo fabricante de 5V e 700mA, já o conjunto motor e driver , 5V e até 500 mA e o circuito do cartucho consome micro-pulsos de 350 mA à 24V. Visto que precisaríamos configurar algo que suprisse os itens acima e também garantir a mobilidade do sistema, assim como a viabilidade de se projetar este produto para fornecer a alimentação primária, escolhemos uma fonte regulada de notebook compatível com DELL INSPIRON que fornece 19,3V e 3,3A para nossa placa de circuito impresso. O motivo de escolher uma fonte de notebook para realizar a alimentação geral é porque isto é algo que pode ser encontrado em qualquer ambiente aplicável ao Robô Plotter.
Sendo assim, planejamos um circuito que se divide em dois módulos, um de 5V/1A e o segundo de 24V/1A, como mostra a Figura 49.
Figura 49: Diagrama de blocos do circuito de alimentação Fonte: Felipe G. Rosa, 2015
Escolhemos o conversor DC/DC, pois, segundo o Professor MSc. Pedro Luiz Benko (2015) [27], apresenta um ótimo rendimento e melhor sinal de saída em relação ao regulador linear, além de admitir maior variação de potencial na entrada (Informação verbal)2.
Projetamos a placa de circuito impresso com a configuração básica do CI conversor abaixador ou conversor Buck de 5V, como representado pela Figura 50, e incluímos a distribuição do sinal de saída para a Raspberry Pi e os drives dos motores.
Figura 50: Configuração do circuito abaixador de tensão Fonte: [22]
Para o conversor aumentador de tensão, também conhecido como conversor Boost, foi comprado o circuito completo na PCI, pois acompanha um regulador de tensão (Figura 51) na saída, o que fornece a regulagem da energia enviada ao cartucho.
2 Informação verbal concedida por Professor MSc. Pedro Luiz Benko, no dia 02 de junho de 2015 em entrevista.
Figura 51: Regulador de tensão ajustável Fonte: [28]
Com os componentes selecionados e sabendo que a FEI possui uma máquina plotter LPKF Protomat S63 de confecção de placa de circuito impresso à disposição. Com o auxílio do software EAGLE, construímos o esquema elétrico e o layout para geração dos arquivos Gerber.
EAGLE é um dos softwares de desenvolvimento de placa de circuito impresso mais completos do mercado, de interação simples e vasta biblioteca de componentes, uma ótima ferramenta para grandes projetos. Arquivos Gerber são usados nas fresas de PCI dos fabricantes industriais, neles estão informações de coordenadas das trilhas furos e os demais processos para confecção da placa [29].
Neste programa as páginas de circuito e do layout trabalham de forma sincronizada para que a alteração de qualquer componente em um deles seja atualizada na outra. Na página de circuito definimos as conexões de cada componente, na de layout definimos a disposição deles com o encapsulamento real, trilhas, informações e tudo que há no produto final. Desta forma o software minimiza ao máximo as chances de erros e fornece dimensões em escala real para um melhor planejamento do projeto. O circuito esquemático e o layout, ambos gerados no software EAGLE, podem ser visualizados nas Figuras 52 e 53.
Figura 52: Circuito esquemático gerado no EAGLE Fonte: Felipe G. Rosa, 2015
Figura 53: Layout da PCI projetado no EAGLE Fonte: Felipe G. Rosa, 2015
A placa de circuito impresso é o método mais atual em questão de conexão entre componentes eletrônicos. Ela é composta por uma camada fina de cobre sobre uma placa de material isolante, no nosso caso, de fenolite [30].
Entre os dois tipos de montagem de componente na placa, por furo ou superfície, escolhemos a montagem por furo para melhor manipulação e testes do protótipo. A face das trilhas na camada de cobre e a placa de circuito impresso com componentes soldados, podem ser visualizados nas Figuras 54 e 55.
Figura 54: Face das trilhas na camada de cobre Fonte: Felipe G. Rosa, 2015
Figura 55: Placa de circuito impresso com componentes soldados Fonte: Felipe G. Rosa, 2015
Raspberry Pi é capaz de fornecer, o que pode ocasionar um funcionamento não adequado do circuito, bem como possíveis falhas de componentes da placa.
O motor de passo adquirido já vem com um driver compatível ao seu modelo e tensões de alimentação e é composto essencialmente de um ULN 2003 (Figura 56). Além disso, a conexão entre este circuito e a Raspberry Pi pode ser facilmente feita através de cabos fêmea-fêmea.
Figura 56: Circuito do motor com ULN 2003 Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
3.6 DESEMPENHO DA IMPRESSÃO
Para um cartucho de 12 bicos, podemos calcular quantas passadas o cartucho irá realizar através da seguinte fórmula:
𝑁𝑝 = 𝐻 ∗ 𝑑𝑝𝑖 25.4 ∗ 𝑛
Onde:
H: Altura da impressão (mm);
dpi: Resolução do cartucho (pontos/pol.);
n: Número de bicos.
Como o cartucho escolhido possui n = 12 e dpi = 96, o número de passadas que o cartucho precisa para completar a impressão depende exclusivamente da altura da impressão.
Por fim, uma das métricas para se quantificar o desempenho da impressão é pelo tempo gasto com ela. Este tempo pode ser calculado pela fórmula abaixo:
𝑇𝑖 =𝑁𝑝∗ 𝑡𝑝
60 [𝑚𝑖𝑛]
Onde:
𝑁𝑝: Número de passadas;
𝑡𝑝: Tempo de uma passada (s).
Figura 57: Montagem final do Robô Plotter Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Figura 58: Vista Superior Fonte: Cainã G. Fernandes, 2015
Para testar os bicos, foi criada uma imagem com um texto simples. Na Figura 59, verificamos que não havia nenhum bico invertido, dispensando alterações na programação.
Figura 59: Primeiro teste com o cartucho Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Ao ordenar para que o robô fizesse a impressão de uma imagem completa, comprovamos que o algoritmo utilizado para transformar a imagem para formato de impressão estava correto. A Figura 60 mostra em detalhe o cartucho realizando a impressão de uma imagem, já a Figura 61, mostra um comparativo entre a imagem original e o resultado obtido.
Figura 60: Detalhes do cartucho em operação Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
Figura 61: Comparativo entre imagem original e impressão Fonte: Davi A. Dal Fabbro, 2015
4.1 PROBLEMAS ENCONTRADOS
Quando iniciamos o nosso projeto tínhamos em mente projetar um robô o qual realizaria a captura de uma imagem e a partir desta fazer um processamento para prepara-la para impressão. A câmera que optamos, foi a própria câmera da Raspberry Pi, mencionada anteriormente. Nos testes durante o projeto percebemos que a câmera não produzia uma imagem apta a ser impressa pelo robô projetado, pois a resolução da imagem capturada pela câmera prejudicou a impressão da mesma. Por isso, optamos por descartar a câmera do nosso projeto. Vale ressaltar que esta seria a única câmera compatível para se utilizar na Raspberry Pi.
Outra dificuldade que tivemos foi a instalação do display touch screen de 2.8” da Robopeak. Seguindo os passos propostos pelo fabricante da câmera (Robopeak), deveríamos instalar no cartão de memória da Raspberry Pi um “prebuilt image system”
fornecido [35]. Com isto, o Kernel, responsável por realizar a interface entre o software e o hardware da Raspberry Pi, seria alterado. Realizando este procedimento percebemos que o Kernel teria sido corrompido. Tentamos ainda contatar o fabricante do display para relatar
o problema e encontrar uma outra solução para instalação da mesma. Uma outra tentativa que realizamos foi um tutorial fornecido em um fórum de eletrônicos [36]. Neste método, os comandos seriam realizados na própria Raspberry Pi para a instalação do display, ou seja, não seria necessária a instalação de um “prebuilt image system” no cartão de memória. Ao realizar esta segunda tentativa, obtivemos sucesso no funcionamento do display, no entanto, percebemos que para o funcionamento do display por este método, todos os GPIOs disponíveis foram sendo redirecionados para a porta USB para o funcionamento do display. Portanto, este método foi descartado já que se necessita de um número razoavelmente alto de GPIOs para o funcionamento do robô. No fim, a solução encontrada foi fornecida pelo próprio fabricante, que desenvolveu um novo Kernel específico para nossa situação.
Já na parte mecânica, a maior dificuldade foi garantir o alinhamento e estabilidade de todos os elementos. Como as rodas dentadas foram fabricadas em materiais de qualidade inferior, tivemos grande dificuldade em garantir uma engrenagem que fornecesse uma transmissão uniforme e controlada. As rodas também foram uma grande limitação, pois existiam momentos em que a movimentação ficava comprometida devido ao acoplamento entre as rodas e o eixo, contribuindo para a não uniformidade de movimentação e desalinhamento das passadas do cartucho.
Além disso, tivemos algumas dificuldades na seleção de alguns componentes eletrônicos pelo simples fato da falta de experiência com os mesmos. Na escolha do regulador de tensão não percebemos a limitação de potência. Para a especificação dos motores de passo, faltaram conhecimento e suporte técnico. Apesar de muita procura não encontramos professor nem vendedor que pudesse validar nossa decisão e por isso, o modelo escolhido não possuía a precisão que esperávamos, principalmente quanto à linearidade, pois percebemos que a relação de transmissão do motor escolhido era diferente para cada sentido de rotação (horário e anti-horário). Por fim, com o novo circuito de alimentação tivemos que importar o indutor de saída do conversor porque não foi encontrado produto no mercado brasileiro para suprir 1A.
conhecimentos de circuitos elétricos e eletrônica para desenvolver a energização do robô, programação e processamento digital de sinais foram úteis para formatar a imagem e transformá-la em sinal elétrico, elementos de máquinas juntamente com processos mecânicos de fabricação foram essenciais na elaboração da estrutura e do conjunto de movimentação dele.
Também comprovamos que é possível controlar um cartucho de impressora com a Raspberry Pi, que foi considerado ao longo do projeto como nosso maior desafio, pois nos comprometemos em utilizar a filosofia de arquitetura aberta, ou seja, todos os componentes do projeto foram escolhidos e montados explicitamente pelo próprio grupo. A aplicação desta filosofia foi muito importante para nós, pois mostramos de forma didática toda tecnologia envolvida em uma impressora e, por mais simples que este cartucho seja, este trabalho foi capaz de desenvolver e aplicar a teoria por trás destes dispositivos, possibilitando que futuros trabalhos sobre impressoras sejam desenvolvidos a partir deste.
A ideologia do Robô Plotter é oferecer independência ao usuário, considerando as dimensões do equipamento, custo, robustez e facilidade de aplicação. Mesmo que sem ter uma precisão satisfatória para aplicar no mercado, obtivemos sucesso com o resultado em relação à proposta, pois todos os pontos mencionados no início foram alcançados. Alguns ajustes finos tornam-se necessários para que este protótipo seja um produto realmente atrativo para consumo.
REFERÊNCIAS
[1] COPIGRAF. Tabela de preços. Bahia, 2015. Disponível em:
<http://www.copigraf.com.br/documents/27.html>. Acesso em: 13 abr. 2015.
[2] BMPINFOGEO. Preços de plotagem. [S.I.], 2015. Disponível em:
<http://www.bmpinfogeo.com.br/atuacao/plotagem.pdf> Acesso em: 13 abr. 2015.
[3] PLOTT SERVIÇOS. Tabela de preços. Ceará, 2015. Disponível em:
<http://plott.com.br/page_5.html>. Acesso em: 13 abr. 2015.
[4] COPYSERV. Tabela de preços. Rio Grande do Sul, 2015. Disponível em:
<http://www.copyserv.com.br/tpreco.php>. Acesso em: 13 abr. 2015.
[5] BUSCAPE. Plotters. São Paulo, 2015. Disponível em:
<http://www.buscape.com.br/impressora--plotter.html>. Acesso em: 13 de abril de 2015.
[6] LIMA, T. Raspberry Pi. Ituiutaba, 2014. Disponível em:
<http://www.embarcados.com.br/raspberry-pi/>. Acesso em: 03 mar. 2015.
[7] FILIPEFLOP COMPONENTES ELETRÔNICOS EIRELI. Primeiros passos com o Raspberry Pi. Florianópolis, 2014. Disponível em:
< http://blog.filipeflop.com/embarcados/tutorial-raspberry-pi-linux.html>. Acesso em: 03 mar. 2015.
[8] RASPBERRY PI FOUNDATION. Camera Module. Reino Unido, 2015. Disponível em:
<https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/camera/README.md> Acesso em: 08 mar. 2015.
[9] OMNIVISION TECNOLOGIES, INC. OV5647 Datasheet. Santa Clara, CA, 2015.
Disponível em:
<http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/587045/OMNIVISION/OV5647.html>
Acesso em: 08 mar. 2015.
[10] SPARKFUN ELECTRONICS. Raspberry Pi Camera Module. Niwot, CO, 2015.
Disponível em:
<https://www.sparkfun.com/products/11868> Acesso em: 19 abr. 2015.
[11] DFROBOT. 2.8” USB TFT Touch Display Screen for Raspberry Pi. Shanghai, 2015. Disponível em:
<http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&product_id=1062>. Acesso em: 19 abr. 2015.
[12] WOODFORD, C. Inkjet Printers. Reino Unido, 2015. Disponível em:
<http://www.explainthatstuff.com/inkjetprinters.html>. Acesso em: 23 fev. 2015.
[13] SUPPLIES OUTLET. Different Types of Inkjet Printing. Reno, NV, 2015.
Disponível em:
[16] GILLILAND, M., Inkjet Applications. Estados Unidos: Woodglen Press, 2005.
[17] ANNY STUDIO. The price of smooth looks: Anti-aliased fonts hurt eyes and damage eyesight. Australia, 2012. Disponível em:
<http://annystudio.com/misc/anti-aliased-fonts-hurt/>. Acesso em: 23 fev. 2015.
[18] HANNAN, P. et al. DIY Inkjet Printer. Universidade de Washington, 2011.
[19] LEYBA, R. The Last 25 Years and the Evolution of the Printer. Disponível em:
<http://ronleyba.com/the-last-25-years-and-the-evolution-of-the-printer/>. Acesso em: 23 fev. 2015.
[20] ERWAN’S BLOG. Arduino : use a shift register (74HC595) and a transistor array (ULN2803). França, 2015. Disponível em:
<http://labalec.fr/erwan/?p=1288>. Acesso em: 07 mar. 2015.
[21] Informação verbal concedida por Professor Dr. Flávio Tonidandel, no dia 08 de abril de 2015 em entrevista.
[22] NATIONAL SEMICONDUCTOR. LM2575T-5 Datasheet. Estados Unidos, 2015.
Disponível em:
< http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/203235/NSC/LM2575.html>. Acesso em: 01 abr. 2015.
[23] WORLD OF ENGINEERING. Boost converter XL6009E1 Review XLSEMI Output Waveform. 2014. Disponível em:
<https://www.youtube.com/watch?v=d7oAMtjCWl0>. Acesso em: 02 de mai. 2015.
[24] KORNYLAK CORPORATION. Rotacaster: a revolution in motion. Hamilton, OH, 2015. Disponível em:
<http://www.kornylak.com/wheels/rotacaster.html>. Acesso em abr. 2015.
[25] ROBOT MESH. VEX 2.75" Omni Directional Wheel - Double Roller (2-pack).
Kirkland, WA, 2015. Disponível em:
<http://www.robotmesh.com/vex-robotics/wheels/vex-2-75-omni-wheel>. Acesso em 17 out. 2015.
[26] INK OASIS. Original HP C6602A Black Ink Cartridge. Lambertville, MI, 2015.
Disponível em:
<http://www.inkoasis.com/Original-HP-C6602A-Black-Ink-Cartridge.html>. Acesso em:
17 out. 2015.
[27]Informação verbal concedida por Professor MSc. Pedro Luiz Benko, no dia 02 de junho de 2015 em entrevista.
[28] LOJAARDUINO. Módulo. Santa Catarina 2015. Disponível
em:<http://www.lojaarduino.com.br/pd-d0337-regulador-de-tensao-xl6009e1-dc-dc-step- up-5v-35v-ajustavel-1005.html>. Acesso em: 28 abr. 2015.
[29] CAD SOFT. Learn more. Estados Unidos, 2015. Disponível em:
<http://www.cadsoftusa.com/>. Acesso em: 02 dez. 2015.
[30] 4PCB. The history of PCB. Estados Unidos. Disponível em:
<http://www.4pcb.com/pcb/>. Acesso em: 02 dez. 2015.
[31] CARVALHO, A. D. Aula 06: Processamento de Imagens. Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2015.
[32] THOMAZ, C. E. Aula 11: Visão Computacional. Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2015.
[33] BUENO, M. L. Detecção de Bordas através de Algoritmo Canny. [S.I.], 2015.
Disponível em: <http://www.inf.ufsc.br/~visao/2000/Bordas/>. Acesso em: 29 nov. 2015.
[34] SEARA, D. M. Algoritmos para detecção de bordas. Florianópolis, 1998.
Disponível em: <http://www.inf.ufsc.br/~visao/1998/seara/index.html#2.1>. Acesso em:
29 nov. 2015.
[35] ANGELO. Robopeak 2.8″ USB Touch Screen with Raspberry Pi. Shanghai, 2015.
Disponível em:
<http://www.dfrobot.com/index.php?route=DFblog/blog&id=60&search=2.8%22+USB+T ouch+screen&description=true>. Acesso em: 01 dez. 2015
[36] GADGETOID. DFRobot 2.8 USB TFT Pi 2 Raspbian Setup Guide (Advanced).
[S.I.], 2015. Disponível em:
<http://forums.pimoroni.com/t/dfrobot-2-8-usb-tft-pi-2-raspbian-setup-guide- advanced/594>. Acesso em: 01 dez. 2015