UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
CIRO COPETTI RODRIGUEZ
ATUADORES PARA ANIMATRÔNICOS
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2015
CIRO COPETTI RODRIGUEZ
ATUADORES PARA ANIMATRÔNICOS
[*]_ Monografia do Projeto de Pesquisa apresentada à
disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2 do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para aprovação na disciplina.
Co-orientador: Prof. Alfredo Vrubel
[*]_ Tradução do trabalho original desenvolvido na Universidade de Bucknell, durante o ano letivo de 2012 no Programa CsF, sob orientação principal do Prof. Steven Shooter. Tradução apresentada para convalidação da disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso.
TERMO DE ENCAMINHAMENTO
Venho, por meio deste termo, encaminhar a monografia do Projeto de Pesquisa “Atuadores para Animatrônicos ”, realizada no ano letivo de 2012 pelo aluno Ciro Copetti Rodriguez, como requisito para aprovação nas disciplinas de Trabalho de Conclusão de Curso 1 e 2 do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Co-orientador: Prof. Alfredo Vrubel UTFPR - Damec
BUCKNELL UNIVERSITY
Atuadores para
Animatrônicos
Projeto Final
Orientador: Professor Shooter
Matthew Cherewka ______________________ Jordan Rivera ______________________ Ciro Rodriguez ______________________ Stasia Schlatter ______________________
BUCKNELL UNIVERSITY
Atuadores para
Animatrônicos
Projeto Final
Orientador: Professor Shooter
Este foi um projeto realizado como trabalho de conclusão de curso para o Curso de Engenharia Mecânica da Universidade de Bucknell. As normas utilizadas estão conforme utilizadas pela Universidade que se localiza no estado da Pensilvânia, nos Estados Unidos da América.
Resumo
A equipe de Atuadores para Animatrônicos foi selecionada para trabalhar com a Animax Design e desenvolver um modo de testar atuadores elétricos para uso em bonecos robóticos. Atuadores elétricos permitem um maior controle de velocidade e posição em relação a atuadores pneumáticos ou hidráulicos e este é um fator importante para geração de movimentos orgânicos. Os atuadores pneumáticos são consideravelmente mais robustos do que os atuadores elétricos e tal fato se apresenta como um ponto negativo para a mudança de atuadores, desta maneira, a fim de se validar o novo conceito de atuadores, diversos testes foram realizados.
A Animax Design definiu restrições quanto aos tipos de atuadores com os quais a equipe deveria trabalhar baseadas em suas práticas e requisitos de aplicações já estabelecidos. Com base nestas restrições, a equipe restringiu o projeto à uma aplicação específica dentre as várias opções possíveis para simplificar a análise e adaptar o problema para os recursos disponíveis. A aplicação escolhida foi o movimento lateral de olhos, gerado por um atuador rotacional.
Um equipamento de teste foi desenvolvido de acordo com as restrições, resultando em um mecanismo de seis barras com 70 graus de saída de movimento e controlado para que oscilasse da esquerda para a direita. Este equipamento também foi desenvolvido para ser adaptável a diversos tipos de atuadores. A equipe decidiu testar este mecanismo com o auxílio de dois diferentes tipos de sensores: dois encoders rotacionais, um conectado à saída do atuador e o outro à um dos olhos, e uma webcam de alcance intermediário. Estes sensores foram usados para gravar o teste e checar a qualidade dos movimentos.
Uma análise dinâmica do modelo em trabalho foi realizada no mecanismo de teste proposto para garantir que os motores fossem dimensionados corretamente. O objetivo geral do projeto é testar o motor até o ponto de falha, neste caso o ponto em que o motor deixa de realizar movimentos orgânicos. Selecionando um motor muito robusto nenhum dado relativo à falha seria produzido e no caso de um motor muito frágil os resultados não seriam válidos. A forma do atuador também é um aspecto importante porque um motor robusto que realiza a tarefa mas que é muito grande para um boneco animatrônico ainda seria ineficaz.
O mecanismo de teste foi construído na primavera de 2013 utilizando ferramentas disponíveis no LDP (Laboratório de Desenvolvimento de Projetos) da Universidade Bucknell. A bancada de testes foi construída inteiramente com alumínio e aço a fim de obter um mecanismo robusto e diversas juntas de baixa fricção foram incorporadas ao mecanismo para remover a possibilidade de desgaste ou carga indevida com o tempo. Uma vez completo o mecanismo de teste foi utilizado para testar dois motores pequenos até o ponto de falha para que o desgaste da vida útil do motor fosse examinado. Os motores funcionaram por aproximadamente 25000 e 200000 ciclos e cada um apresentou um modo diferente de falha.
redução, o que acabou por acelerar o desgaste nos dentes da engrenagem. Este fenômeno pode ocorrer também nos atuadores elétricos usados pela Animax Design.
Figura 1. Modelo em CAD do projeto final
Figura 2. Modelo Fabricado
Figura 3. Resultado dos encoders 2 e 3 ao fim do último teste no motor 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
number of encoder counts
enc
oder
v
al
ue
Data from test 9, end of the test
Encoder2 Encoder3
Figura 4. Resultado dos encoders 2 e 3 ao fim do último teste no motor 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 -10 -5 0 5 10 15 20
number of encoder counts
enc
oder
v
al
ue
Data from M2 Test2, end of the test
Encoder2 Encoder3
Sumário
Resumo ... 6
1. Bucknell University e o Programa Ciência sem Fronteiras ... 10
2. O Contexto de Animatrônicos ... 11
3. Definição do Problema ... 12
4. Pesquisa de Mercado ... 13
5. Requisitos do Cliente e Especificações Técnicas ... 15
6. Conceito do Projeto e Avaliação ... 20
7. Estrutura do Protótipo ... 28 8. Evolução do Projeto ... 33 8.1 Mecanismo ... 33 8.2 Modelo Ocular ... 38 8.3 Sistema de Controle ... 40 9. Análise de Especificações ... 46
10. Projetando com Segurança ... 49
11. Procedimento de Teste ... 50
11.1 O dispositivo ... 50
11.2 Procedimento ... 51
11.3 Passos para execução do teste ... 52
12 – Resultados e Discussão ... 54
13. Perspectivas Globais, Sociais e Ambientais ... 58
14. Discurso de Ética ... 59
14.1 Problema ... 59
14.2 Possíveis Violações de Código ... 59
14.3 Análise ... 59 14. 4 Decisão ... 59 15. Uso de Recursos ... 61 15.1 Recursos Humanos ... 61 15.2 Recursos Financeiros ... 62 16. Proposta de Valor ... 64 17. Próximos passos ... 66 18.Reflexões Finais ... 67 18.1 Lições do Jordan ... 68 18.2 Lições do Matthew ... 69 18.3 Lições do Ciro ... 69 18.4 Lições da Stasia ... 70 Referências ... 71
1. Bucknell University e o Programa Ciência sem Fronteiras
O presente projeto de TCC foi traduzido a partir da disciplina de Senior Design cursada na Universidade de Bucknell pelo programa Ciência sem Fronteiras. Sem esta oportunidade não seria possível validar a matéria no curso de engenharia mas acima de tudo não teria tido a oportunidade de experimentar como é a vida universitária fora do país. Nos parágrafos seguintes são apresentadas as características da Universidade de Bucknell, do programa de intercâmbio bem como as percepções a respeito desta experiência.
A Universidade de Bucknell fica localizada na pequena cidade de Lewisburgh, Pensilvânia. Com aproximadamente 3600 alunos entre cursos de graduação e mestrado, a universidade compõe a maioria da população da cidade caracterizando Lewisburgh como uma verdadeira cidade universitária. O campus da universidade é muito bonito, organizado e relativamente grande para a quantidade de alunos. Por ter sido fundada em 1846 Bucknell tem diversos prédios históricos, contudo, também tem prédios mais arrojados e laboratórios de pesquisa com tecnologia de ponta para a realização de atividades acadêmicas. As salas de aula não costumam ter mais de vinte alunos de forma que a relação professor-aluno é muito forte nesta instituição. Graças a isso tanto aluno como professor aprendem mais durante as aulas e geram mais resultados. A duração das aulas também não costumam passar dos 100 minutos, garantindo que o aluno possa se manter focado durante toda a sua duração.
A cidade de Lewisburgh é pequena e não existem muitos estabelecimentos na cidade por outro lado, ao mesmo tempo que ela é isolada, ela está bem localizada uma vez que não fica muito longe dos grandes centros urbanos. Além disso outras cidades próximas tem tudo o que Lewisburgh não tem sendo extremamente fácil de se acessar com o aluguel de um carro.
O Programa Ciência sem Fronteiras foi o que possibilitou os meus estudos em Bucknell. Como a universidade é particular e tem uma semestralidade altíssima (aproximadamente US$50.000,00) seria impossível que eu estudasse numa instituição como essa sem as bolsas oferecidas pelo governo. Graças ao programa eu e outros alunos tivemos a oportunidade de estudar de graça em instituições de ensino altamente qualificadas nos países de primeiro mundo. Durante esse experiência eu vi como o ensino lá fora difere do ensino praticado no Brasil, suas vantagens e desvantagens, e com certeza indico a todos que tem a oportunidade que a aproveitem. Também tive a oportunidade de trabalhar em conjunto com outros cursos e com pesquisas acadêmicas, conhecendo melhor as relações profissionais dos americanos. Estou seguro de que o conhecimento adquirido me torna um profissional melhor e que estas habilidades trarão frutos
2. O Contexto de Animatrônicos
Mesmo que o termo “animatrônico” não seja muito conhecido entre o público geral, aplicações animatrônicas estão presentes de diversas maneiras no nosso dia-a-dia. Uma grande variedade de filmes com criaturas gigantes usaram animatrônicos para gravação de cenas, brinquedos em parques temáticos usam animatrônicos para tornar seus cenários o mais realista possível e mesmo pequenas lojas podem ter brinquedos animatrônicos a venda, mesmo que as pessoas não notem.
O conceito de animatrônico envolve qualquer aplicação em que automação é utilizada para mover objetos de forma artística. Pode ser facilmente associada à aplicações com brinquedos ou replicas que utilizam conhecimento de robótica e tecnologia para movimentar os bonecos, sejam eles grandes dinossauros usados em filmes ou pequenos robôs vendidos como brinquedos de criança.
Em relação a possíveis cargas aplicadas nos atuadores (motores e pistões) destes bonecos, existem três principais aplicações entre quais os animatrônicos podem ser classificados: brinquedos, que tem baixa carga aplicada nos atuadores e que geralmente requerem várias horas de operação intermitente; filmes, que podem aplicar cargas elevadas nos atuadores mas por pouco tempo; e brinquedos de parques temáticos, que requerem cargas elevadas e funcionamento contínuo por longos períodos de tempo.
Walt Disney tornou os animatrônicos famosos em 1964 quando exibiu um boneco animatrônico de Abraham Lincoln na Feira Mundial de Nova Iorque. O boneco tinha 57 movimentos distintos, sendo 22 deles na cabeça. A fascinação que Walt Disney mostrou em relação aos animatrônicos fez com que a qualidade e extensão das aplicações aumentassem e se espalhassem por outros parques. Engenheiros e artistas trabalham lado a lado em uma empresa para fazer esses bonecos robustos e realistas aos olhos do público. Um grande número de empresas trabalham nessa área, desenvolvendo tecnologias e se engajando em projetos específicos nas três categorias descritas anteriormente.
O objetivo do presente projeto é trabalhar com a Animax Design, uma empresa que trabalha com diversos projetos animatrônicos, incluindo projetos para Disney e Universal Studios, para desenvolver uma maneira de movimentar bonecos animatrônicos com atuadores elétricos.
Até o momento, a Animax tem utilizado atuadores pneumáticos e hidráulicos em seus projetos para automatizar robôs de parques temáticos, mas esta tecnologia não permite escalas intermediárias de movimento, são atuadores do tipo ligado/desligado. Variações na movimentação programada são difíceis porque atuadores pneumáticos não são tão flexíveis quanto os elétricos. A tarefa designada à equipe deste projeto ( referida a partir de agora como Equipe de Atuadores para Animatrônicos) é analisar a aplicação de atuadores elétricos para aplicações em robôs de parques temáticos através do teste de diferentes atuadores.
3. Definição do Problema
A Equipe de Atuadores para Animatrônicos foi designada a trabalhar com a Animax Design para determinar um modo de movimentar bonecos animatrônicos de parques temáticos utilizando atuadores elétricos. O projeto destes bonecos diferem das demais aplicações devido ao período de uso e carga de trabalho aplicada. Um parque temático deve funcionar 365 dias ao ano, com uma carga de trabalho de até 16 horas por dia, o que corresponde a 6000 horas de operação ao ano, deixando um pequeno ou nenhum espaço para falhas destes dispositivos. Caso eles quebrem durante o dia isso pode impedir o funcionamento do brinquedo e consequentemente danificar a imagem do parque perante seus clientes. Em comparação, um robô usado em uma cena de filme só tem que funcionar durante a cena sendo filmada, e em caso de falha a cena pode ser regravada em qualquer outro momento. Baseando-se nesta informação, o principal a ser resolvido é como substituir os atuadores pneumáticos e hidráulicos por atuadores elétricos sem perder a robustez e sem sacrificar sua flexibilidade.
Existem dois tipos de atuadores elétricos: linear e rotacional. Como a Equipe de Acionamento para Animatrônicos não tem recursos suficientes disponíveis (tempo e dinheiro) para trabalhar com os dois tipos, teve de ser escolhido um. O atuador elétrico rotacional foi escolhido por ser de uso mais comum e também mais fácil de se trabalhar. O atuador elétrico rotacional é composto por três estruturas principais: o motor, que é responsável por gerar o movimento rotacional; a caixa de engrenagem, que dimensiona a velocidade de rotação da saída e um encoder, que é responsável por acompanhar a posição do motor ou controlar sua posição com o passar do tempo. A pesquisa realizada antes do projeto teve como foco estes três componentes a fim de aprender mais sobre eles antes da execução do projeto.
Para encontrar o melhor atuador, a equipe decidiu testar três atuadores diferentes em um mesmo equipamento de teste a ser desenvolvido. Os atuadores variaram de acordo com o motor, caixa de engrenagem e composição do encoder. Um movimento específico foi selecionado para testar os atuadores. O movimento de um olho oscilando de um lado para o outro foi escolhido como o melhor item a ser testado pois os olhos são parte importante para a credibilidade de movimentos em animatrônicos. O critério que define o motor a ser usado em aplicações animatrônicas é a durabilidade do motor em horas, ou seja, se o mesmo tem uma vida útil em horas maior do que a quantidade de horas de uso exigida e a análise de qual componente falha primeiro.
Como a Animax Design é formada, em sua maioria, por artistas e não engenheiros, ao invés de perfis especificamente programados e movimentos medidos para suas aplicações os bonecos foram tradicionalmente programados usando joysticks para criar movimentação controlada e um programa de repetição. A empresa também não tem um modo de quantificar o ponto de falha em seus produtos. Normalmente, a falha é associada com quebra ou parada de movimento, entretanto, para esse projeto, a falha é definida como a falta de movimentos
4. Pesquisa de Mercado
A pesquisa de mercado sobre as especificações de motores foi mais difícil que o esperado pois não foi possível checar todas as informações requeridas pela Animax através dos catálogos de fornecedores. Algumas vezes faltam informações específicas como expectativa de ciclo de vida para o motor, tensão de operação, ou RPM mínimo e máximo para cada motor. Alguns catálogos que continham todas as informações desejadas não tinham motores compatíveis com as especificações. Nas pesquisas a respeito de folgas entre dentes foram encontradas diversas maneiras de se contornar o fenômeno em aplicações mecatrônicas e maneiras de se programar os controles para levar em conta esse problema. Por fim, a pesquisa sobre movimento ocular mostrou maneiras de comparar movimentos de próteses com movimentos orgânicos. Dois conjuntos de dados sobre o movimento ocular humano foram encontrados e serão úteis no projeto do mecanismo de teste: velocidade ocular de 30 graus por segundo e extensão de movimento de 80 graus para varredura lateral.
Após uma pesquisa mais específica e detalhada sobre motores elétricos e sua engenharia, concluiu-se que os motores de corrente contínua (DC) são mais adequados para aplicações animatrônicas, devido as restrições de tamanho e potência. Os motores DC sem escova, embora inicialmente mais caros, possuem ciclos de vida mais longos, requerem pouca manutenção e oferecem alta precisão com pouco barulho e vibração; os motores DC com escova são baratos, mas requerem uma substituição completa do comutador, não desgastam facilmente, e tem tendência a criar faíscas, barulhos, e pode levar o atuador vibrar, tornando-os inadequados para este tipo de aplicação de alta qualidade e vida longa. Embora a equipe tenha descoberto que motores funcionando constantemente tenham ciclos de vida mais longos em relação aos de funcionamento intermitente (servomotores), a equipe testará cada atuador como um servomotor, com o atuador invertendo a direção de rotação a cada ciclo. Isso permite que a equipe teste os atuadores a torques elevados de maneira mais intensa.
A equipe descobriu que, para aumentar o torque no motor para gerar a saída desejada, redutores harmônicos fornecem a solução mais compacta e de melhor desempenho. Redutores harmônicos podem chegar à razões de transferência tão elevadas quanto 500:1 em uma redução, quase 10 vezes maior que sistemas planetários de redução. Infelizmente, os redutores harmônicos também são mais caros que outros tipos de mecanismos de redução. Em sua maioria eles custam algumas centenas de dólares ou mais, enquanto caixas de redução planetárias podem ser compradas por até 20 dólares. Para atingir o torque de saída especificado poderia-se combinar várias reduções planetárias em série, contudo, isso afetaria o fator de forma do conjunto, que também é um parâmetro crítico no mecanismo.
As engrenagens tradicionais cilíndricas de dentes retos, helicoidais, e trapezoidais também foram consideradas, embora fossem necessárias diversas reduções para alcançar a saída desejada e o espaço é um das principais preocupações nesse projeto. Engrenamentos sem-fim podem fornecer uma solução compacta, mas com o risco de folga e baixa eficiência, que pode afetar severamente o controle do atuador. Dada a previsão de que a caixa de engrenagem falhará primeiro, vários designs serão testados para determinar a opção mais eficaz e robusta.
Durante a busca por motores ou atuadores compactos disponíveis no mercado, a equipe encontrou a Maxon Motors e a MICROMO, duas líderes na produção de motores, caixas de redução e micro-atuadores compactos e de alta qualidade. Entretanto, a equipe descobriu que estas empresas usam um sistema de avaliação próprio fora dos padrões industriais para especificar seus produtos, a fim de manter a imagem da marca e também a competitividade de mercado. Portanto, cada componente deve ser avaliado separadamente e comparado a especificações conhecidas antes de ser escolhido. A seleção de motor e caixa de redução foi conduzida de forma cuidadosa para garantir que atuadores de alta qualidade fossem selecionados e testados.
Encoders óticos operam através do uso de um pequeno laser para acompanhar a velocidade e posição do eixo em que está montado. Neste projeto, usamos principalmente encoders diferenciais. Estes encoders produzem dois sinais de onda quadrada que são compensados por um certo ângulo de fase. O encoder tem dois emissores de pulsosque operam a uma frequência escolhida, determinada na compra do encoder. Toda vez que o sinal de onda atinge uma borda (i.e. reduz de 5V para 0V), o encoder grava esse dado. O encoder então retorna o número de contagens através da medição da diferença entre as bordas nos emissores de pulso, que pode ser traduzido em posição e velocidade se necessário. Para este projeto, dado que o motor opera a altas velocidades e para quantificar o movimento orgânico, um largo grupo de dados deve ser coletado, para isso foi escolhida a maior taxa disponível da US Digital, 360 contagens por revolução. É importante notar que, embora não tenha sido usado no projeto final, um encoder de terminal único tem uma operação similar a do encoder diferencial, exceto por usar apenas um emissor de pulsos, que é menos preciso mas com comunicação mais rápida, por isso sua necessidade no controlador Mesa.
Para obter dados significativos dos encoders, foi recomendado por Wade Hutchinson (técnico de laboratório) o uso do LabView ao invés do MatLab, devido a melhor interface com o usuário. O programa inicial em LabView consiste num longo string de comandos de escrita e leitura no formato hexadecimal, realizados pela interface principal, na placa Mesa para a etapa de
setup. A partir daí o programa entra num loop que constantemente lê os encoders, grava a
posição final desejada e extrai informações de posição. A estrutura final do programa em LabView foi projetada com base no leitor dos encoders já instalado, que lê os blocos do encoder e exporta a informação para um arquivo de texto em branco localizado em um HD externo.
5. Requisitos do Cliente e Especificações Técnicas
Originalmente a equipe teve dificuldades em definir o problema, as especificações e os requisitos. No processo de criação de uma árvore de objetivos surgiram mais perguntas do que respostas. A equipe só tinha informações básicas para prosseguir com o projeto, como por exemplo a ideia geral do que se esperava atingir, mas sem nenhum dado específico. Para obter mais informações, a equipe contatou a Animax Design para pedir orientação quanto ao projeto e informações específicas do motor. A resposta da Animax ajudou, mas foi muito genérica. Entretanto, foi suficiente para ajudar a equipe a criar a árvore de objetivos, como pode ser visto na Figura 5. A árvore foi dividida no que a equipe julgou serem os cinco principais componentes do projeto: plataforma de teste, atuador, construção, avaliação de desempenho e design. Cada categoria foi subdividida para melhor definição de cada componente.
A categoria plataforma de teste foi dividida em 3 seções focando em diferentes aspectos da plataforma que a equipe julgou importante. Optou-se por uma plataforma de teste robusta, ou seja, uma plataforma que durasse mais do que os atuadores testados a fim de economizar tempo e dinheiro com a construção de uma nova plataforma para cada teste. As 3000 horas de testes requeridas foram determinadas pela equipe com base em uma estimativa que será discutida nos capítulos seguintes. A plataforma de teste tinha de simular o movimento ocular orgânico. A equipe não tinha base para determinar o que seria considerado como movimento ocular orgânico, portanto foi conduzida uma pesquisa sobre o assunto. Baseado nesta pesquisa, o olho tem um alcance de 40 graus do centro para a esquerda e 40 graus do centro para a direita. A última seção da plataforma de teste consistia em examinar a tensão aplicada à plataforma. O uso da tensão na plataforma se daria através do motor e dos seus controles. As tensões foram determinadas pela Animax Design com base nos equipamentos e fontes que eles possuem em sua oficina. Os valores nominais passados à equipe foram 24V para o motor e 10 V para os controladores.
O próximo item a ser examinado foi o atuador. O atuador tem 3 partes principais: caixa de redução, encoder e motor. A caixa de redução do motor é necessária para garantir que a saída esteja adequada quanto a velocidade e torque para o mecanismo. A velocidade e o torque do sistema foram definidos pela Animax baseado em testes executados anteriormente em atuadores. Ambos são dados em uma escala de valores, com a velocidade variando de 0 a 180 RPM e o torque de 0 a 5,3 Nm. Entretanto, o objetivo é fazer o mecanismo funcionar com alto torque e alta velocidade. O encoder permite que a equipe acompanhe a trajetória do olho durante todo o teste. Após definir um perfil de movimento, a equipe sabe o tipo de trajetória que o olho deve executar, isso também permite que a equipe saiba quando o olho desvia do perfil de movimento determinado. Isso ajudará a determinar se o olho está fazendo um movimento orgânico conforme definido ou se perdeu esse comportamento com o tempo. Para obter um encoder preciso, a contagem de revoluções deve ser próxima a exata. Assim como o motor, o encoder precisa durar pelo menos 3000 horas. A última parte do atuador é o motor. A equipe definiu que o motor deveria funcionar por até 3000 horas. Esse valor foi definido baseando-se no fato de que um parque de diversões funciona 6000 horas por ano. Garantindo que o motor funcione por pelo menos 3000 horas, garante que a Animax tenha que substituir o motor não mais do que duas vezes ao ano.
O terceiro componente para o qual a equipe teve de criar objetivos foi a construção. O técnico de laboratório só estaria disponível por 25 horas no outono e 50 na primavera, portanto qualquer parte a ser usinada no laboratório de usinagem deveria ser trabalhada dentro dessas horas. A fim de tornar a construção mais simples, a equipe decidiu tentar diminuir o número de partes utilizadas no mecanismo.
A avaliação de desempenho foi o segundo maior item do projeto a ser definido e examinado pela equipe. Esse componente foi dividido em três categorias: movimento, organicidade e força. A equipe optou por usar um encoder ou potenciômetro para testar o desempenho de movimento. O encoder permitiria à equipe comparar a posição, velocidade e aceleração do motor a qualquer momento do teste com o output esperado, observando se existem variações entre a rota estimada e a real. A mensuração de um movimento orgânico foi algo difícil para a equipe determinar. Eventualmente foi decidido que um movimento orgânico seria medido através do encoder como a variação entre a rota ideal e real mas ainda assim avaliado com uma câmera para definir visualmente quando ele deixa de parecer natural. A força do sistema seria determinada como uma célula de carregamento.
O último item a ser definido pela equipe foi o projeto do mecanismo. Este foi dividido em duas seções focando nos aspectos principais que a equipe queria garantir: simplicidade e custo. Para obter um design simples a equipe usaria um computador e eixos de diferentes tamanhos, bem como uma placa de fixação consistente para os motores. Isso permite que a equipe troque os atuadores, que quebram rápida e facilmente, sem ter de construir outro mecanismo. Custo era um fator importante a ser considerado pela equipe, pois a mesma não recebeu financiamento externo para o projeto. O orçamento de 650 dólares foi dividido entre a construção de um mesa de testes e compra dos diferentes atuadores necessários. O orçamento foi dividido igualmente entre estes itens, portanto 325 dólares para os atuadores e 325 dólares para a mesa de testes.
Para determinar os requisitos do cliente e especificações, uma árvore de objetivos foi criada como mostrado na Figura 5. Estes requisitos foram definidos a partir de conversas com a Animax Design, pesquisas independentes, e capacidade dos equipamentos de teste disponíveis.
Figura 5. Árvore de Objetivos
A próxima tarefa da equipe foi definir os requisitos do cliente e especificações do projeto a partir da tabela de especificações vista na Tabela 1.
Os requisitos mais básicos do cliente foram uma escala de movimento maior do que 60 graus, controle de posicionamento eficaz com uma tensão de entrada de 0 a 10 V ( escala de valores fornecida pela Animax Design com base no sistema já a seu serviço) e encoders para garantir que a saída do sistema fosse consistente com a entrada do mesmo. A rotação do mecanismo foi definida pela equipe para mover mais de 60 graus em qualquer direção. A Animax apoiou esse requisito básico, mas solicitou o uso de 120 graus. A equipe projetou o mecanismo com base na escala de saída requisitada e verificou o projeto com cálculos simples. Cálculos para o encoder e potenciômetro serão realizados nos testes da plataforma. Como mencionado anteriormente, a Animax também requisitou que a equipe não usasse mais de 10V como fonte de tensão para o sistema por causa do equipamento já montado por eles.
Os requisitos de desempenho foram facilmente determinados pela equipe pois envolvem o modo como o mecanismo se movimenta. O primeiro requisito era de que o mecanismo tivesse um movimento suave e controlado. Este requisito foi validado no modelo através do cálculo da velocidade angular do motor e torque de arranque. O cálculo foi feito através do programa Working Model (Capítulo 8) aplicado à um modelo simplificado da mesa de testes utilizada. O objetivo principal destes cálculos era avaliar o torque de arranque, a variação de aceleração, para
que esta fosse o mais próximo de zero quanto possível, até mesmo porque um movimento mais consistente propicia um movimento mais orgânico.Os outros dois requisitos, torque e velocidade, também foram definidos pela Animax. Para validar o valor do torque de arranque foram usados no modelo torques nominais de 1.4, 3.5 ou 5.3 Nm para o motor em torque elevado para garantir que atuador possa mover para qualquer mecanismo que a Animax queira usar. A faixa de velocidade foi determinada entre 0 e 180 RPM para permitir a Animax flexibilidade para usar o mecanismo na velocidade que eles desejassem.
Como discutido anteriormente, a Animax Designs queria atuadores duráveis, e a equipe determinou que 3000 horas de funcionamento caracterizaria esse requisito, considerando o um funcionamento diário de 16 horas para o motor. Para garantir que o protótipo criado duraria 3000 horas, cálculos de estresse foram feitos nos componentes principais do mecanismo. Como os materiais finais para o projeto não tinham sido selecionados neste ponto, os cálculos de estresse ainda teriam de ser realizados. Outro requisito a ser atingido pela equipe era obter o movimento mais orgânico possível, para isso a folga do mecanismo deveria ser próxima a zero. Portanto, foi conduzida uma pesquisa sobre folga. Com base nesta pesquisa, a equipe decidiu que a folga seria melhor calculada durante os testes da plataforma, onde a resolução pode ser mostrada através do encoder ou potenciômetro.
As especificações que tornarão o design excelente, são aquelas que tornam o mecanismo pequeno e de custo limitado. Limitando a forma, e portanto, o tamanho do mecanismo, este se torna muito mais valioso para a Animax porque o design criado pela equipe poderia ser usado com poucas modificações. Um desenho em CAD foi criado para o projeto e pode ser visto adiante no relatório. Custo, como discutido na árvore de objetivos, precisa ser reduzido. Portanto, o objetivo é de construir a plataforma de teste com menos de 300 dólares e comprar pelo menos 3 atuadores com menos de 300 dólares. Isso garante que a equipe ainda tenha um pouco de dinheiro caso algo saia do planejado.
Tabela 1. Tabela de Especificações Requerimentos do Consumidor Primário Fonte Primária (Cliente, Concorrência, etc) Projeto Especificações e Restrições Valor Alvo
ou Alcance Método de Validação
Metodo de Validação Analítica
Básicos: Cliente Angulo de saída
efetivo Maior que 60 graus Encoder medindo a rotação de saída Calcular os valores esperados de saída
Cliente Tensão efetiva
de alimentação
0 - 10 VDC Voltimetro, Entrada digital
Cliente Controle efetivo de posição (entrada bate com a saída) Definido pelo sistema Encoder medindo a rotação de saída e outro encoder medindo a rotação na entrada Calcular valores esperados tanto para entrada como para saída
Performance: Cliente Movimento
consistente e constante Impulso zero na região central de trajetória Encoder medindo a rotação de saída. Usar o WorkingModel para validar rotação angular e impulso esperados.
Cliente Torque alto 1.76, 3.53, ou 5.29 N.m Estabelecer a relação entre torque e velocidade e torque máximo (n=0) Cálculos analíticos para a relação de torque e velocidade Cliente Velocidade em Torque alto 0 - 100 RPM Encoder medindo rotação na saída Calcular valores esperados de saída
Cliente Velocidade alta 0 - 180 RPM Encoder medindo rotação na saída
Calcular valores esperados de saída
Cliente Vida longa do
atuador vida > 3000 horas Teste de fadiga com carga Cálculos iniciais para carga nas engrenagens e eixos Equipe de Projeto Testar se vida da bancada de teste excede a do atuador vida > 3000 horas Teste repetido de fadiga Cáculos iniciais para cargas nas engrenagens e eixos
Cliente Baixa folga
(movimento orgânico)
Sim ou não Encoder medindo a rotação de saída
Calcular a folga esperada
Entusiasmo: Cliente Pequeno fator de
forma Máxima dimensão linear menor do que 2 polegadas Medir a maior dimensão linear Dimensões lineares projetadas do Modelo CAD Equipe de Projeto Atuadores de baixo custo
preço < $300 n/a n/a
Equipe de
Projeto
Plataforma de teste de baixo custo
6. Conceito do Projeto e Avaliação
Para a idealização de conceitos a equipe utilizou uma técnica de brainstorm denominada 6-3-5 Modificada. Os quatro membros da equipe tiveram 5 minutos para escrever 3 ideias e passá-las para o próximo membro. O processo foi aplicado a duas funções importantes do projeto: o mecanismos do equipamento de teste e o método de avaliação do movimento orgânico. No interesse de criar o maior número de ideias possível, para que depois os membros da equipe pudessem combiná-las a fim de criar conceitos ainda melhores, nenhuma ideia foi repetida e não houve nenhum tipo de censura. Isso resultou em alguns conceitos impraticáveis, mas também úteis na redução de designs. Para o mecanismo, esboços dos conceitos gerados podem ser visto nas Figuras 6,7, 8 e 9.
Figura 7. Conceitos Iniciais de Mecanismo, Página 2
Figura 9. Conceitos Iniciais de Mecanismo, Página 4
Conceitos de mecanismo foram projetados para criar uma movimentação em arco no olho e poderiam ser acionados de diversas maneiras. Alguns conceitos aplicaram somente movimento rotacional constantemente girando em uma direção, como o biela-manivela, mecanismo de quatro ou seis barras, os links de Hoekens ou um movimento por came seguidor. Outros mecanismos utilizariam servomotores para inverter o sentido de rotação periodicamente, como prender uma roda de atrito ou trem de engrenagens na parte traseira do olho movendo-o para gerar um arco, usar uma polia ou correia sincronizadora para forçar o olho à rotacionar, ou oscilar uma alavanca. Outros mecanismos ainda sugeriam o uso de movimentos lineares como um sistema de cremalheira com um olho pivotante, movimentação por fuso ou mesmo um mecanismo de Sarrus para elevar e abaixar uma alavanca atrelada.
No total, 36 tipos de mecanismos foram gerados, cada um com seus pontos fortes e fraquezas. Entretanto, alguns eram obviamente mais práticos ou realizáveis que outros. A equipe também buscou observar padrões recorrentes que incluíam mecanismos similares a fim de verificar a existência de ideias em comum. Cada membro da equipe, de um jeito ou outro, concebeu algum tipo de mecanismo de quatro barras com uma entrada rotacional e através de pesquisa, verificou-se que este tipo de mecanismo já tinha sido utilizado anteriormente em
baseadas em origamis, o mecanismo dobrável de Sarrus também foi considerado. Finalmente, um mecanismo que usasse uma roda de atrito para rotacionar o olho através de fricção foi avaliado como uma solução mais simples, barata e ainda assim eficiente.
Com estes 6 mecanismos (quatro barras, roda de atrito, came-seguidor, polia e correia sincronizadora, engrenagem sem-fim e cremalheira, mecanismo de sarrus) selecionados como os candidatos finais, foi necessário um processo de decisão mais profundo. A equipe decidiu avaliar estes mecanismos usando uma matriz de decisão ponderada. A matriz de decisão considerou oito áreas de importância e cada uma foi ponderada de acordo com o que foi considerado mais crítico para completar com sucesso o projeto, considerando as restrições da Universidade Bucknell a fundo, a disponibilidade de técnicos e as restrições da Animax para o perfil de movimento. Essas especificações foram, com seu peso designado, marcadas em: Custo(7); Vida útil do mecanismo (8); Facilidade de Construção (5); Simplicidade (1); Folga (6), o que incluía a probabilidade de qualquer distúrbio no movimento; Durabilidade (3); Manutenção (4), que compreendia a dificuldade de manutenção e também a frequência com que teria de ser feita; Alinhamento (2), ou quanto de erro seria admissível na montagem sem comprometer o movimento. O mecanismo de 4 barras foi selecionado ara a matriz como ponto de partida. Os membros do grupo concordaram que esse não era só o mecanismo mais popular nos designs criados mas também era o mais fácil de ser avaliado nessas áreas e providenciaria uma boa comparação na avaliação dos demais. Finalmente, cada mecanismo foi comparado através de uma escala de cinco pontos, se o mecanismo fosse muito superior ao mecanismo de quatro barras usado como base, então a este seria atribuído “2”. Se fosse melhor do que o mecanismo base, mas não muito melhor, teria o valor “1” atribuído. Se igual, seria atribuído o valor “0”, se fosse um pouco pior “-1” e por fim, se fosse muito pior, seria atribuído o valor “-2”. Essas escalas foram então multiplicadas pelo peso de cada especificação, e todas as oito áreas foram somadas para obtenção de uma nota final. A matriz de decisão, assim como o resultado final da avaliação, podem ser vistos na Tabela 2.
Tabela 2. Matriz de decisão para conceitos de mecanismo
Como visto na Tabela 2, o mecanismo de quatro barras com entrada rotacional provou ser a melhor opção disponível. Os detalhes deste mecanismo serão discutidos a fundo na seção 7, Estrutura do Protótipo, deste relatório.
Como mencionado acima, o processo 6-3-5 também foi usado para gerar ideia sobre como medir a qualidade de movimento e a saída do sensor. O requisito mais importante da Animax em relação ao atuador era o de fornecer um movimento orgânico, suave e de alta qualidade. Entretanto, a organicidade do movimento não é quantificável, conceitos a respeito da saída do mecanismo foram criados com a ideia de se poder avaliá-lo precisamente assim como prover alguma evidência de movimento orgânico. Esses conceitos podem ser vistos nas Figuras 10,11,12 e 13.
Figura 11. Conceitos Iniciais para Medição de Movimento, Página 2
Figura 13. Conceitos Iniciais para Medição de Movimento, Página 4
Conceitos variaram bastante sobre como medir a saída do mecanismo ocular e como avaliar apropriadamente a qualidade do movimento ocular. Alguns conceitos envolviam o uso de um software de acompanhamento do movimento para gravar o movimento ocular humano, avaliar o movimento usando software de análise como o ANSYS e tentar recriar o movimento usando algoritmos de controle. Outro conceito envolvia encontrar simulações computacionais de olhos se movendo e copiar o perfil de movimento deles. Outras ideias incluíam usar câmeras de alta velocidade e tentar medir/corrigir qualquer distúrbio de movimento, inspeção visual, usando uma superfície estendida tal como um ponteiro no olho para analisar quão suavemente o mecanismo se movia, e o uso de um potenciômetro ou encoder ótico.
Depois de uma seleção inicial, 6 possibilidades emergiram e foram colocadas em uma matriz de decisão similar a usada anteriormente. Esses conceitos incluíam uma câmera de alta velocidade com um software de rastreamento de movimento e algoritmo de controle corretivo, inspeção visual, encoder ótico, potenciômetro, superfície estendida, uma comparação lado-a-lado com o olho humano. Estes foram analisados em seis áreas de acordo com os pesos e nível de importância: Custo (6); Exatidão (5); Precisão ou consistência (4); Automação (3), ou quantas vezes o operador humano teria de estar presente, dado que o grupo estava espera resultados
Tabela 3. Matriz de Decisão Para Medição de Movimento
Da matriz de decisão, foi determinado que os encoders e potenciômetros forneciam a solução mais precisa e prática. Entretanto, eles não forneciam um modo de medir a organicidade do movimento. Portanto, a equipe decidiu que uma câmera também seria usada para gravar o mecanismo, que poderia ser assistido depois para avaliar a organicidade do movimento. O encoder fornece a resposta do sistema em relação a posição, velocidade e aceleração, que será posteriormente usada em conjunto com o algoritmo de controle para alterar a saída do servo. Baseado no conceito de superfície extendida, uma ponta será adicionada ao olho para facilitar a inspeção visual, facilitando a identificação de vibrações indesejadas. Enquanto isso, a câmera coleta informações a respeito da qualidade do movimento. Para ilustrar o setup da estação de trabalho um diagrama do sistema foi criado, conforme visto na Figura 14.
Figura 14. Diagrama de Sistema
Câmera' Fonte'de' Tensão' Computador' Sensores' Mecanismo' dos'Olhos' Atuador' Enc ode r' Mo to r' Ca ix a' de 'Re du çã o' Plataforma' de'Testes'
7. Estrutura do Protótipo
O projeto do mecanismo final seguiu com proximidade o mecanismo já utilizado em muitas aplicações animatrônicas, um mecanismo de quatro barras conectando dois olhos que são movimentados por uma barra manivela ligada à um motor. A fim de criar um mecanismo útil para teste e demonstração, o produto final teria de ser grande o suficiente para aplicar um estresse substancial nos motores ligados ao mecanismo e simular grandes olhos animatrônicos. Para o dimensionamento do mecanismo a Animax sugeriu um olho de dinossauro de aproximadamente 7,6 centímetros. Com base nesta informação, a distância entre olhos humanos foi medida e colocada em escala para o projeto. A distância é de 19 centímetrosentre os centros dos olhos, como mostrado na Figura 15.
Figura 15. Vista de cima da primeira iteração do mecanismo de teste
Para simular o movimento ocular real, as linhas de visão de cada olho devem convergir para um ponto focal. Isso faz com que os olhos pareçam naturais, porque olhos reais ajustam a convergência de visão de acordo com os objetos em foco. Para alcançar isto, o elo conectando os dois olhos foi alterado para 19,3 centímetros , o que criou uma distância focal de 1,82 m. Esta distância focal realista será útil para quando a organicidade do mecanismo for avaliada.
A intenção deste mecanismo é a de estressar o motor até o ponto de falha através de operação acelerada. Como mencionado anteriormente, o ponto de falha é aquele em que o movimento ocular perde sua organicidade. Para medir o movimento, um potenciômetro foi colocado na saída do motor e também na saída do mecanismo, o olho. Usando esses sensores, o ponto de variação excessiva de movimento pode ser determinado e números específicos podem ser usados para descrever o ponto de falha, em oposição a uma análise subjetiva.
parte do teste mas para contornar qualquer problemas de controle ou movimentações inesperadas além do alcance da plataforma projetou-se a mesa de testes para que a mesma pudesse suportar uma movimentação de 360 graus no atuador. Desta forma o teste requisitado pode ser conduzido e qualquer outro teste variando a rotação do atuador acima de 120 graus poderiam ser realizados. Esta alteração no projeto resultou na divisão do elo motor do mecanismo. Para compensar a perda em robustez estrutural o resto dos elementos foram ajustados para oferecerem maior rigidez.
Outro problema gerado pela segmentação do elo motor é falta de alinhamento entre os elos do mecanismo. Quando se projetam mecanismos rotativos sem apoios em diversos pontos a possibilidade de desalinhamento está presente. No caso do uso deste mecanismo para testes, qualquer desalinhamento pode gerar cargas indesejadas no motor e poderiam levar à um falso resultado por falha prematura de algum componente. Para compensar este problema um acoplamento elástico foi incluido no projeto do mecanismo de testes. O acoplamento é adicionado no projeto para proteger o eixo do motor contra desalinhamentos no caso da placa de montagem estar desalinhada com o pino de apoio do elo motor, este alinhamento pode ser observado na Figura 16.
Figura 16. Vista lateral da primeira iteração do mecanismo de teste
O modelo representado na Figura 16 usa um olho que foi modelado na forma de meia casca esférica com uma haleta ressaltada na parte traseira superior. Este era o projeto inicial para o olho a ser usado no mecanismo de testes mas discussões adicionais e o processo de brainstorming levaram ao uso de esferas completas para os olhos do mecanismo. Esta ultima proposta surgiu do fato que uma bola convencional de Hockey de rua tem 7,6cm de diâmetro, o tamanho recomendado pela Animax Designs e também porque o uso de um objeto já existente reduziria o tempo de fabricação e a complexibilidade do projeto. Para integrar as bolas de Hockey, o novo modelo do olho previa um único pino atravessando o topo e a base da esfera através do eixo central. Um segundo e mais curto pino seria fixado na parte traseira para prender os olhos ao resto do mecanismo conforme designado previamente. Essa configuração pode ser verificada na Figura 17.
Figura 17. Olho reformulado
Estes olhos serão leves como as cascas plásticas inicialmente projetadas, mas vão criar inércia suficiente no sistema para gerar cargas sobre o motor. O uso de diversos motores é desejado durante o curso dos experimentos. Com isso em mente foi projetado na plataforma de testes um local para a montagem de uma placa gabarito removível para cada motor, o que dispensaria a desmontagem completa do dispositivo quando trocando os atuadores. Esta característica pode ser observada na figura 18.
Figura 18. Vista isométrica da primeira iteração do mecanismo de teste mostrando o suporte motor
A vantagem de se usar gabaritos removíveis não é necessariamente a rapidez de montagem, uma vez que quando o motor for instalado ele provavelmente vai rodar por varias centenas ou até mesmo milhares de ciclos, mas na consistência e posicionamento confiável dos motores. Se cada motor for pareado com os mesmos furos de montagem no dispositivo existe menos chance para desalinhamento e danos indevidos no atuador. Além disso, os atuadores podem ser preparados previamente nas placas e trocados facilmente por qualquer membro do grupo sem dificuldade ou necessidade de ajuda. Com esta pequena adição, o mecanismo como um todo vai durar mais uma vez que esteja montado e pode necessitar desmontagem apenas no caso de um dano imprevisto à algum componente.
conjunto. O projeto inicial não incluía espaçamento ou outros componentes redutores de fricção que provavelmente levariam o dispositivo ao ponto de falha durante algum teste ou gerariam cargas indesejadas nos motores que os levassem à falha. Para reduzir estes problemas foram adicionados rolamentos em quatro pontos do sistema conforme visto na figura 19.
Figura 19. Localização do rolamentos na segunda iteração do mecanismo de teste
Figura 20. Vista lateral da segunda iteração do mecanismo de teste
Os elos foram reprojetados para acomodar os rolamentos. A mudança em forma e tamanho dos elos apresentam um problema de manufatura uma vez que as formas são muito complexas para serem manualmente usinadas e gerar um programa CNC tomaria mais tempo do que o disponível considerando a quantidade de elos. Essa situação gerou uma reavaliação do material inicialmente selecionado. Para a plataforma de teste foi assumido que a maioria dos componentes seriam fabricados em alumínio. O alumínio tem grandes vantagens como material para construção uma vez que é forte, leve, facilmente usinado a amplamente disponível em diferentes formas e tamanhos. Contudo, geometrias complexas são caras para serem usinadas por exigirem mais esforços e tempos de processamento. Dada a limitação do técnico de laboratório para o semestre da primavera, que não pode ser excedida, qualquer projeto envolvendo cargas intensas de usinagem seria uma solução ineficiente.
Sabendo disso, uma possível alternativa seria reprojetar os elos do mecanismo para uma forma mais facilmente usinavel. Conforme mencionado anteriormente o alumínio é um material
altamente desejado para a construção de protótipos, contudo, para melhorar o tempo de produção e reduzir o custo, foi considerado fabricar algumas senão todas as peças em plástico. Se montássemos todo o mecanismo com peças plásticas, toda a estrutura com exceção de porcas, rolamentos e componentes cilíndricos poderiam ser cortadas facilmente com uma máquina de corte a laser a partir de uma única placa de acrílico. A vantagem deste processo é que apenas quatro dos furos precisariam ser usinados com precisão, aqueles contendo os rolamentos conforme mostrado anteriormente.
O suporte dos rolamentos no projeto atualizado também permite um posicionamento livre em oposição à um interferente que é preferível na construção de protótipos. Usando posicionamentos livres garante-se que o protótipo possa ser facilmente desmontado e os seus componentes reciclados no caso de alguma falha. Estes furos poderiam então ser usinados em uma fresadora ou com um alargador adequado, cuidando para não exceder a profundidade desejada.
Este projeto geral permite o alcance desejado para a rotação dos olhos como provado em analise com o auxílio do Working Model. Além disso, usando os atuadores corretamente dimensionados o dispositivo operará nas velocidades desejadas que estão de acordo com as instruções a Animax Designs e seleção da equipe. Incluindo um encoder e um potenciômetro como partes separadas do atuador possibilitará à equipe comprar atuadores mais baratos sem estes componentes e ainda assim obter resultados confiáveis. Como a Animax Design não está oferecendo nenhuma verba adicional para este projeto e uma grande variedade de atuadores é desejada o preço destes atuadores é um fator muito importante a ser considerado. O mecanismo de testes foi projetado para que pudesse ser feito a partir de diferentes materiais dependendo do custo e confiabilidade desejada. Se fosse usado plástico o custo total do mecanismo seria consideravelmente menor mas a resistência poderia ser comprometida. O mecanismo e atuadores devem totalizar menos de $650 como definido no início do projeto então criar o mecanismo mais barato que possa seguramente atender as nossas necessidades não só é desejável como essencial. Por causa disso foram selecionados rolamentos menos caros, materiais mais baratos, encoders que fossem adequados mas não excessivamente precisos, e objetos disponíveis gratuitamente na universidade foram utilizados ao máximo.
8. Evolução do Projeto
8.1 Mecanismo
Desde Dezembro de 2012, quando a Equipe de Atuadores para Animatrônicos teve de decidir sobre o melhor plano de ação para o projeto e criar desenhos técnicos com detalhes da construção do mecanismo aplicável, o mecanismo sofreu diversas alterações. Tais alterações podem ser resumidas nas seguintes categorias: mudanças estruturais do mecanismo , mudanças na estrutura de suporte, adições inesperadas e mudanças negligenciadas. As razões para tais mudanças são variadas, mas podem ser reduzidas a algum descuido crítico em relação a física do projeto ou a negligência de uma necessidade óbvia.
Em Dezembro de 2012 a equipe tinha a intenção de construir o mecanismo como mostrado na Figura 21. Entretanto, uma série de pequenas falhas e ideias incompletas estavam contidas nessa iteração do design e mudanças foram feitas adequadamente. Com base na capacidade de usinagem disponível e nos prováveis modos de falha do mecanismo, uma versão atualizada do design foi projetada para produção na primavera de 2013. A Figura 22 mostra a segunda maior iteração do mecanismo de teste.
Figura 21. Vista isométrica do mecanismo planejado (Dezembro 2012)
Figura 22. Vista isométrica do modelo planejado para manufatura ( Primavera 2013)
Este modelo incluía grandes mudanças, tais como: um elo em “u” entre os olhos para permitir maior rotação, um modelo do motor a ser usado para testes, um elo motor solido e contínuo no lugar do elo dividido, e encoders posicionados para o teste final. Como este modelo foi projetado para construção, a equipe projetou cada peça do modo que achou ser o de mais simples construção no LDP (Laboratório de desenvolvimento de projetos).No entanto, durante o processo de construção do mecanismo de teste, algumas mudanças foram na estrutura física de alguns componentes para reduzir o tempo de processamento ou aumentar a eficácia do mecanismo. A montagem final é mostrada abaixo nas Figuras 23 e 24
Figura 24. Vista de perto da área de montagem do motor
Mudanças Estruturais do Mecanismo
A princípio o mecanismo de teste foi projetado para incorporar um elo motor dividido que permitiria a conexão de entrada do mecanismo de seis barras para rotacionar 360 graus completos sem limitações físicas. Enquanto na realidade é improvável que tal sistema seja projetado com sucesso, nenhum sistema similar jamais foi construído. Ao invés disso, no início do semestre de primavera de 2013, o projeto foi alterado para incorporar um sólido, contínuo eixo de direção do acoplador motor a plataforma de base. Essa mudança removeu grande parte de resíduos do sistema e foi fundamental para garantir o funcionamento contínuo do sistema como um todo. Na primeira iteração do projeto, o elo motor não tinha um suporte eficaz e teria cedido ou saído do alinhamento.
Os elos de entrada do mecanismo de seis barras também sofreram alterações. A fixação ao eixo motor foi mudada de parafusos para fixação por compressão e interface de fricção pois se esperava atingir períodos mais longos de durabilidade. Essa mudança foi adicionada ao mesmo tempo que o eixo sólido, antes da fabricação. Um exemplo das peças como fabricadas é mostrado na Figura 25.
Figura 25. Ligações de interface de fricção
Finalmente, o elo conectando os dois olhos no mecanismo foi modificado para ter uma forma em “u” que permitiria que os olhos demonstrassem um alcance maior de rotação durante os testes. Essa mudança simples aumentou o angulo de rotação de 30 graus para aproximadamente 70 graus. Essas pequenas mudanças foram definidas antes da manufatura e foram feitas especificamente para aumentar a durabilidade e eficiência do mecanismo.
Mudanças na estrutura de suporte
Durante a manufatura e montagem do mecanismo de teste algumas mudanças foram feitas. Essas mudanças foram ditadas ou pelas limitações físicas dos processos de manufatura disponíveis, ou por algum fenômeno físico durante a montagem.
Os suportes dos olhos foram mudados de duas metades de um bloco quadrado com um corte retangular para um único bloco com um furo circular no meio. Essa mudança foi feita pois o projeto inicial previa o uso de uma fresa vertical. Ao invés disso uma broca de grande diâmetro e um alargador foram usados na fresa vertical para a usinagem do furo, garantindo que ele tivesse o diâmetro necessário para suportar os olhos usados nos testes. Isso também permitiu o posicionamento dos encoders dos olhos no topo destes blocos que não estavam incluídos no projeto inicial.
mal suportado. Por causa disso a placa de montagem do encoder foi modificada para envolver completamente o eixo motor, resistindo a oscilações radiais e mantendo um melhor alinhamento. A base de suporte do eixo motor também foi alterada durante a montagem para que fosse quadrada ao invés de circular. Porém, isso causou uma pequena interferência de forma que a peça foi reduzida usando um único ponto com rosca, lembrando o componente inicialmente projetado.
Adições inesperadas e componentes negligenciados
Alguns componentes que não estavam presentes no desenho e modelo original foram adicionados durante a manufatura do mecanismo para permitir que este funcionasse da forma desejada. Esses componentes incluíram um terceiro apoio para encoder com suportes verticais, um acoplador de eixo traseiro para o motor sendo testado, três encoders US Digital, e um acoplador flexível de eixo de transmissão.
Embora a intenção da equipe sempre tenha sido a de colocar encoders no arranjo final de testes, os encoders não foram completamente considerados nos designs iniciais. Esta negligência requeriu um conserto rápido, resultando em uma simples placa quadrada, compatível com o padrão do parafuso da placa abaixo. Isto pode ser visto em diversas figuras mostradas anteriormente. Por este conjunto de componentes ter sido adicionado de última hora, não houve tempo para implementar um conjunto de rolamento, que teria reduzido a fricção entre o adaptador de eixo instalado posteriormente e a placa em si. Esta fricção impediu que o mecanismo de teste funcionasse como mecanicamente projetado.
Uma vez que os três encoders foram alocados na plataforma de teste um acoplador de eixo teve de ser usado para permitir que o encoder traseiro lesse o movimento do eixo traseiro do motor. Entretanto, por causa da fricção presente no sistema e a incapacidade do sistema de aquisição de dados em realizar a amostragem de dados a uma taxa rápida o suficiente, o adaptador de eixo e o encoder traseiro foram removidos da plataforma de teste. Dois diferentes adaptadores de eixo foram construídos, um de aço com um encaixe de plástico e outro de plástico leve, que poderia ser pressionado diretamente contra o eixo do motor após a abertura de um pequeno orifício.
Outro acoplador de eixo foi adicionado ao eixo principal de transmissão de modo que ele pudesse fazer interface com o pequeno eixo de saída do motor usado para teste. Este acoplador de eixo precisava ser flexível devido à pequena variação na tolerância de usinagem da plataforma de teste e também para proteger o motor contra desgaste excessivo causado pelo desalinhamento do eixo. Este componente foi também uma adição de última hora porque previamente a equipe acreditou que uma versão mais simples do acoplador, sem flexibilidade, seria fabricada rapidamente no LDP e seria suficiente para os propósitos de teste. Uma vez que o mecanismo final foi montado, a equipe decidiu que era necessário usar um acoplamento flexível. Para melhor acomodar este acoplamento foram usinadas faces planas no eixo para prevenção de deslizamentos.
Finalmente, o mecanismo dos olhos foi inicialmente planejado para que fossem bolas plásticas, compradas em uma loja de artigos esportivos, posicionadas em torno de uma estrutura
interna que seriam as ligações finais do mecanismo de seis barras. Este plano apresentou diversos problemas relacionados à força e então o design foi alterado.
8.2 Modelo Ocular
O olho é um dos principais elementos da plataforma de teste. O objetivo final era o de produzir um movimento de varredura, simulando o movimento de um olho real, o que resultaria em uma série de especificações de manufatura. Enquanto algumas dessas especificações eram bem óbvias, outras não foram mencionadas no desenvolvimento do projeto enquanto um design iterativo para este componente estava sendo gerado.
Embora o design inicial da plataforma de teste tivesse sido completado ao fim do semestre de outono o processo de manufatura se iniciou no semestre de primavera, portanto, naturalmente, algumas mudanças e observações foram feitas neste período. O primeiro design oferecia uma solução simples para o projeto, que permitira que a equipe economizasse tempo na fabricação do projeto e também retornasse um produto esteticamente aceitável. A solução era comprar uma bola de hockey de rua e perfurar três orifícios no mesmo plano posicionados 90 graus entre si. A Figura 26 mostra uma foto da primeira iteração. A solução proposta seria de fácil manufatura, leve o suficiente para não sobrecarregar o mecanismo, grande o suficiente para ser pintada posteriormente para parecer mais realista e sua simplicidade permitiria que a equipe focasse em outros passos do projeto. Em contrapartida, a solução não seria resiliente o suficiente para longos períodos de teste. Se os globos oculares falhassem antes do motor as imagens coletadas pela câmera mostrariam variações, mas o atuador ainda estaria em condições de prosseguir com o teste.
prender o eixo ao mecanismo. Essa solução resolveria o problema de durabilidade dos olhos, mas também criaria uma adição de peso imprevista e dificultaria a manufatura. Usinar uma esfera oca de três polegadas seria desafiador, se não completamente inexequível, com as ferramentas disponíveis. Designs diferentes foram propostos para facilitar a manufatura, mas por fim uma solução mais fácil teria de ser encontrada. A Figura 27 mostra o design inicial para o olho de alumínio. A Figura 28 mostra uma iteração secundária na tentativa de simplificar a manufatura.
Figura 27. Modelo em SolidWorks da segunda iteração dos olhos. A imagem representa uma bola de alumínio que seria usinada para encaixe do eixo
Figura 28. Modelo em SolidWorks para o segundo olho de alumínio. A iteração separou o olho em diversas partes para facilitar a usinagem
A terceira e final iteração para este design considerou o uso de plástico rígido para substituir o alumínio, que é pesado e, neste caso, de difícil manuseio. Um modelo em Solid Works foi desenhado como mostrado na Figura 29 e prototipado em Bucknell. A solução do
protótipo resolveu o problema de manufatura pois a impressora 3D poderia reproduzir os detalhes do design com boa precisão. O problema de peso também foi resolvido, pois é fácil de se fazer um olho oco, e plástico é consideravelmente mais leve do que alumínio, o que tornou possível a eliminação do eixo traseiro que se projetaria do objeto. As Figuras 29 e 30 mostram diferentes iterações deste projeto, sendo a Figura 30 o design final.
Figura 29. Modelo em SolidWorks para a terceira iteração do olho. O material foi alterado de alumínio para plástico usado em protótipos
Figura 30. Segundo design do olho plástico. Essa solução aumenta a robustez do olho, especialmente do
orifício traseiro, criando um eixo de suporte e deixando mais material ao redor do mesmo.
8.3 Sistema de Controle
computador, com um roteiro em MatLab para executar o programa e controlar o motor. Entretanto, dado o desconhecimento da equipe em relação aos servo-controladores, foi necessária uma consultoria com o departamento de Engenharia Elétrica, Engenharia da Computação e Ciência da Computação para definir o melhor plano de ação.
Primeiramente a equipe contatou Wade Hutchinson, técnico-chefe do departamento de TI da área de Engenharia, para recomendações. Wade apontou para equipe que devido às elevadas taxas de interação entre o cartão de aquisição de dados e o computador, e também à grande quantidade de extração de dados requerida para resultados precisos, o sistema inicial resultaria inevitavelmente em uma pane no computador, anulando qualquer progresso realizado. A primeira recomendação do Wade foi a compra de um chip de servo-controle separado, que controlaria toda a comunicação no sistema de controle e também utilizaria um programa em LabView, ao invés de MatLab, para lidar com o armazenamento de dados dos encoders.
Em termos de identificação e compra do controlador apropriado, a equipe foi instruída a consultar o diretor dos laboratórios de Engenharia Elétrica e membro do departamento de Engenharia Elétrica mais familiarizado com servomecanismos, Matt Lamparter, para verificar a compatibilidade entre o chip e as necessidades do projeto. Finalmente, considerando que o laboratório de Designs Mecânicos já possuía diversos sistemas Keithley de aquisição de dados, a equipe ajustou seu sistema para utilizar este equipamento ao invés de utilizar um aquisitor maior e mais complexo da National Instruments.
Com a assistência do Wade e do Matt, o controlador servomotor do tipo Mesa 3C20 100W eixo único foi identificado como a opção mais viável para o projeto. O Professor Shooter, orientador do projeto, recomendou o uso de um terceiro encoder no eixo traseiro do motor para medir qualquer perda durante a redução nas engrenagens. Isso foi conveniente pois o 3C20 precisava interagir com um encoder ótico de terminal único, porém os dois encoders presentes no mecanismo até o momento eram diferenciais.
Infelizmente, foi difícil encontrar um encoder adequado. Embora o 3C20 fosse capaz de altíssimas taxas de transmissão e permitisse alta CPR’s, o diâmetro de 1mm do eixo traseiro complicou significativamente a situação. A equipe não conseguiu encontrar encoders ocos com diâmetro pequeno o suficiente e também não conseguiu encontrar adaptadores de eixo para uma transição suave. Os adaptadores de eixo com maior semelhança aos que a equipe precisava foram os de suporte de modelos de aviões, usados para conectar pequenos motores à hélices maiores. Entretanto, tais adaptadores também eram inadequados para aplicação neste projeto. Por fim, outro encoder do kit ótico US Digital E4P OEM miniatura foi encomendado com as mesmas especificações dos encoders originais, sendo este de terminal único ao invés de diferencial, e a equipe criou seu próprio adaptador de eixo para a transição de 1mm de diâmetro do eixo traseiro para ¼” do encoder.
Com a chegada do 3C20 e do encoder de controle apropriado, a equipe iniciou a fiação do sistema e a fase de testes. Infelizmente, com a chegada do 3C20, a equipe identificou um sistema complexo de comunicação, com o cartão apresentando respostas somente com comandos seriais diretos em cadeias hexadecimais variando de 4 a 64 bits, requerendo o uso um cabo serial raro. Após diversas reuniões com Wade e Matt, a equipe eventualmente entendeu o processo de
