Robótica e Automação Residencial, Projetos de Física. Instituto Médio Politécnico de Cacuaco
jesus_silva_feitosa
jesus_silva_feitosa18 de maio de 2017

Robótica e Automação Residencial, Projetos de Física. Instituto Médio Politécnico de Cacuaco

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Primeiros passos na Robótica e Automação Residencial
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Sobre o Autor Hellynson Cássio é Bacharel em Ciência e

Tecnologia formado pela Universidade Federal

de Alfenas, Técnico em Informática com

habilitação em Desenvolvimento de Sistemas

pelo Instituto Federal de São Paulo e pós-

graduando em Engenharia Elétrica com ênfase

em Automação.

Possui 6 anos de experiência na área de

programação, dentre os quais já desenvolveu

sistemas desktop e web, aplicações para Kinect® e projetos de automação.

Também trabalha como professor, ministrando por quase meia década cursos

de informática profissionalizante, matemática e robótica.

História e Fundamentos da Robótica

Olá, estudante! Imagino que você deve estar curioso para saber mais

sobre robôs e automação residencial. Mas antes vamos entender o que significa

Robótica.

Robótica é uma área da tecnologia que envolve tanto a computação, como

mecânica e eletrônica. Se você gosta de alguns desses ramos, provavelmente vai

amar construir um robô.

Um robô é uma máquina capaz de executar trabalhos autônomos, pré-

programados ou controlados por um humano. Robôs consistem de peças

mecânicas como motores e engrenagens, bem como circuitos integrados e

microcontroladores que dão “a vida” ao sistema. A figura I mostra um esquema

básico dos componentes da robótica.

Figura I: Esquema Fundamental da Robótica

Você deve pensar que robôs são um assunto muito recente,

#sóquenão. Há cerca de 300 anos atrás existiam espécies de

“robôs” puramente mecânicos, conhecidos como autômatos. Essas

engenhocas funcionavam a base de corda e conforme suas

engrenagens internas se movimentavam, uma função do autômato

era executada. Comumente, autômatos eram “programados” para

escrever e/ou desenhar, com muitas limitações, é claro. Na figura

1.2, vemos um autômato que escrevia poesias. Existem relatos de

autômatos mais antigos ainda!

Na atualidade, a robótica está cada vez mais sendo integrada

Figura II:

Autômato escritor

em nosso cotidiano. Fábricas de automóveis, por exemplo, já substituíram

grande parte da mão-de-obra por braços robóticos, como vemos ao lado. Eles

são precisos, rápidos, geram menos gastos e as empresas

não precisam se preocupar se vão sofrer de Lesão por

Esforço Repetitivo...

A polícia também faz bom uso de robôs, não é

atoa que a PM apresentou em 2014 robôs antibombas

para trabalharem na Copa do Mundo que ocorreu o 7x1

no Brasil para o caso de alguém inventar de colocar um

artefato explosivo.

Figura III: Robôs industriais

Por falar em futebol, já imaginou um tetraplégico podendo chutar uma

bola sem que ninguém o ajude? É isso mesmo o que você leu. Já existem

trabalhos de pesquisadores brasileiros, no qual um exoesqueleto é colocado em

uma pessoa que porta uma deficiência motora e ela pôde movimentar seu corpo

simplesmente pensando! Além disso, possui sensores que passam a sensação

tátil da “pisada” no chão.

Ainda falando de esportes, sabia que existe uma “copa do mundo” de

robôs? É a RoboCup, um evento mundial que ocorre anualmente em países sede

previamente escolhidos. A ideia desse acontecimento não é apenas ver qual país

constrói uma equipe de robôs que joga

futebol ou faz qualquer outra atividade

melhor, mas sim promover o

desenvolvimento tecnológico, bem como

motivar mais pessoas a participarem deste

universo. Diversos trabalhos da comunidade

acadêmica são apresentados na RoboCup. O

sonho dos organizadores desse evento é que

Figura IV: Robôs jogando futebol na

RoboCup

até a metade do século 21, seja possível

construir uma equipe de robôs autômatos

(independentes do controle humano) que

possa ganhar uma partida de futebol contra a mais recente Seleção campeã da

Copa do Mundo de humanos. Ambicioso? Talvez não, pois se levar em conta os

argumentos dos organizadores, em cerca de um pouco mais de 50 anos após a

criação do avião, o Homem já estava pisando na Lua. Foi preciso cerca de meio

século também, após a invenção do computador digital, para uma máquina

vencer um humano campeão mundial de xadrez. Afinal, você acha impossível

que robôs um dia possam vencer humanos em atividades esportivas coletivas? O

tempo dirá. Quem sabe não seja você um dos futuros criadores dessa

tecnologia...

O que é preciso saber para montar um robô?

Como você viu na seção anterior, o robô é constituído pela parte

computacional, eletrônica e mecânica. Se você leu nosso artigo 3 previsões de

especialistas em tecnologia para a vida em 2045, viu quão importante a robótica

será na nossa vida. Por isso é interessante já se preparar para o mercado

estudando estes três “pilares” que abrangem a criação de um robô.

Para desenvolver a parte computacional, você deve entender Lógica de

Programação. Esta é baseada na Lógica Booleana, também conhecida como

lógica do “Verdadeiro e Falso”. Basicamente, você desenvolve um código em

uma linguagem de programação específica e nela deve ser passada instruções de

condição para que a máquina interprete e faça uma determinada ação caso a

condição for verdadeira ou outra ação caso contrário. Por exemplo, suponha que

esteja programando um robô autônomo que desvia obstáculos baseado na

leitura de um sensor de distância. Quando o sensor capturar um obstáculo a

frente em um intervalo de espaço menor que 5 centímetros, ele deverá parar,

andar um pouco para trás e girar para a direita. Caso contrário, deverá

continuar andando. Se você fosse codificar isso em uma pseudolinguagem

ficaria:

SE leitura_do_sensor for menor que 5

ENTÃO pare, ande_para_trás, vire_a_direita

SENÃO continue_andando

Observe que foi necessário descrever passo-a-passo o que o robô saiba o

que deverá fazer, isso porque as máquinas são “burras” e necessitam de

informações detalhadas. Obviamente esta sintaxe (maneira como está escrita)

do código deverá ser traduzida para uma linguagem de programação que seu

robô saiba interpretar. Da mesma forma que você precisa saber o idioma de

uma pessoa para compreender o que ela fala e então vocês poderem interagir,

computadores e máquinas robóticas também precisam ser programadas

conforme um “idioma” que elas entendam. Se você já estudou programação,

veja como ficaria o mesmo código descrito em linguagem C.

if(leitura_do_sensor < 5) {

pare();

ande_para_tras();

vire_a_direita();

}

else{

ande();

}

Algumas linguagens de programação que são boas para quem quer

começar a desenvolver robôs são C/C++ e Python. Esta última possui uma

simplicidade na sua sintaxe, o que facilita e muito o aprendizado, além de ser

amplamente utilizada pela comunidade científica. Também é empregada em

placas microcontroladoras como Raspberry Pi. Já C e C++ são mais comuns no

cotidiano. Suas sintaxes são muito parecidas com a linguagem utilizada para

programar a plataforma Arduino, que falaremos mais a diante.

Figura V: Raspberry Pi 3

Claro que não basta conhecer a linguagem para programar o robô. Você

precisa gravar este código em algum lugar do “cérebro” dele para que possa

processar esses dados. Com esta finalidade, alguns robôs mais sofisticados

utilizam processadores (alguns muito similares ou mesmo idênticos aos

processadores de computadores) ou microcontroladores, que são sistemas

constituídos por um pequeno processador, memória e dispositivos de entrada e

saída de dados, muito utilizado para aplicações embarcadas (como fornos

micro-ondas, televisores, aparelhos de DVD, etc.).

Quando falamos de microcontroladores, talvez você tenha pensado em

um chip cheio de “perninhas” que ficam em uma placa com um monte de

componentes elétricos. Pois é bem por aí. Veja abaixo a imagem de um

microcontrolador ATMega 328p.

Imagem VI: Microcontrolador ATMega 328p

Este chip é encontrado na plataforma de hardware livre Arduino. Se você

já ouviu falar de Arduino, deve saber que a grande vantagem de utilizar este tipo

de microcontrolador é que você consegue programá-lo utilizando uma

linguagem muito parecida com C e

C++, como dito anteriormente. Esta

plataforma é amplamente utilizada

para prototipação, automação,

robótica e aprendizado de eletrônica

devido à sua facilidade de uso e

baixo custo. No curso Robótica e

Automação Residencial da Protovie

é utilizado o Arduino como base

para o desenvolvimento de todos os

projetos, sendo ensinado desde os

princípios de programação, até

como gravar o código no chip e

projetar os circuitos. Figura VII: Plataforma Arduino

Logo, é possível ver que o

ATMega após programado não consegue fazer muita coisa se não houver um

circuito montado que liga motores e componentes elétricos. Para isso você

deverá saber também Eletrônica.

A eletrônica é discutida em outro ebook grátis da Protovie, o qual você

provavelmente já deve ter baixado, mas falaremos brevemente aqui também.

Utilizando componentes como resistores, capacitores, diodos, indutores,

transistores, dentre outros é possível manipular a corrente elétrica. Esta por sua

vez será a responsável por alimentar os motores e sensores do nosso robô,

acender LEDs, enfim. Enquanto o microcontrolador “dá as ordens” aos

componentes elétricos do circuito, estes se encarregam de manipular a energia

para “dar a vida” aos nossos amigos robóticos.

É extremamente importante saber fazer análise de circuitos elétricos para

que seja possível projetá-los de forma a utilizar corretamente os componentes e

manipular correntes e tensões. Para isso, faz-se o uso da matemática para

descrever o comportamento das grandezas elétricas, utilizando leis descobertas

por famosos cientistas, como a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff. A partir disso,

projeta-se de forma adequada os circuitos para que seu robô não tenha

problemas de alimentação e todas suas partes operem de forma correta.

Por fim, você também deve entender um pouco da parte mecânica. Neste

sentindo, é muito importante compreender o funcionamento de um motor para

que saiba quando o defeito do seu robô está na mecânica e não na eletrônica ou

computação. Dentre os motores existentes temos os movidos à combustão,

motores térmicos, elétricos, dentre outros.

Motores elétricos são os mais comuns utilizados na robótica. Existem

diversos tipos, dentre eles se destacam os motores DC e os servomotores. Motor

DC, ou motor de corrente contínua, são aqueles que, como o próprio nome já

diz, devem ser alimentados por uma fonte de corrente contínua, tais como

baterias e pilhas. São amplamente empregados para dar movimentação a rodas

e esteiras robóticas devido à sua movimentação contínua e rápida. Já

servomotores se movem conforme o ângulo fornecido pelo microcontrolador.

Estes são empregados principalmente em braços e mãos robóticas, bases de

câmeras de drones, enfim.

Motores elétricos: Princípios e Aplicações

Um motor elétrico tem seu funcionamento baseado no

eletromagnetismo. Para criar um deste de maneira caseira, precisará apenas de

uma bobina (fio de cobre enrolado), uma pilha (ou outra fonte de energia) e um

ímã cujo campo magnético seja bem forte, tais como os ímãs de neodímio que

são facilmente encontrados em HDs de computadores. Assim, você deverá

conectar as extremidades da bobina em cada polo da sua bateria, de forma a

deixar o enrolamento de fios livre para se movimentar (como pode ser visto na

figura abaixo) e o ímã na base. Quando é aplicada uma corrente em uma bobina,

esta cria um campo magnético similar ao de um ímã. Assim, quando este campo

magnético se depara com o campo do ímã, ocorre uma reação de repulsão

quando os polos são iguais e atração quando são diferentes. Por exemplo,

quando o polo norte do campo magnético da bobina se encontra com o polo

norte do campo do ímã, os campos se repelem o que força a bobina a girar.

Pilha

Suporte de metal

Bobina de cobre com as extremidades lixadas a fim de melhorar o contato elétrico com o suporte metálico

Ímã

Figura VIII: Motor elétrico caseiro Fonte: <www2.fc.unesp.br>

Obviamente motores elétricos não são empregados apenas na robótica.

Você já deve ter visto este tipo de equipamento abrindo e fechando portões de

garagens. Este tipo de automação é dada por um controle remoto que envia

sinais de rádio frequência para um receptor que decodifica as ondas em uma

mensagem binária que é interpretada por um microcontrolador. Este por sua

vez aciona circuitos intermediários que ligam ou desligam o motor. Além disso,

em alguns sistemas de automação residencial existem sensores nos portões que

indicam se o portão está fechado ou não e também se passou algum veículo, a

fim de manter o portão aberto até que o automóvel se desloque por completo.

Novamente é papel do microcontrolador “interpretar” os valores do sensor e

“mandar” ligar ou desligar o motor elétrico.

O que é preciso saber para montar um sistema de automação

residencial?

Em se tratando de sistemas de automação residencial, como visto

anteriormente, temos aplicação de microcontroladores, sensores e motores para

automatização de portões. O mesmo princípio é aplicado às portas de shopping

centers, as quais abrem e fecham sozinhas ao detectar a presença de pessoas.

Muitas utilizam simples sensores de distâncias, já outras sensores térmicos com

maior precisão e menor tempo de resposta.

Todavia, a automação não para por aí. Hoje já é possível acionar

lâmpadas, ventiladores, ar condicionado, cafeteiras, dentre outros aparelhos

elétricos utilizando um smartphone ou tablet.

A fim de criar sistemas como esse, o projetista de automação residencial

deve também conhecer programação, eletrônica e saber noções de mecânica.

Deve-se ter em mente que ao projetar um sistema deste tipo o profissional

precisa levar em conta a potência, corrente e tensão de cada componente

automatizado a fim de evitar falhas e danos nos equipamentos, deixando

sempre uma margem de segurança. Por exemplo, se o projetista for desenvolver

uma “tomada inteligente" para acionar uma bomba hidráulica de piscina que

consome uma corrente de 20A, deverá projetar um circuito de tal modo que

aguente pelo menos 25A, no caso de picos de energia.

Nem sempre os manuais técnicos de bombas e aparelhos elétricos

deixarão explícitos os valores de todas as grandezas elétricas. Para isso, caberá

ao profissional de automação conhecer a Física e Matemática por trás dos

circuitos a fim de calcular os valores não expressos pelos fabricantes.

No artigo Os 5 setores que mais demitirão nos próximos 20 anos,

comentamos como os sistemas inteligentes e a robótica vai desempregar muitos

profissionais. Isso porque até lá o gasto para se automatizar processos e serviços

será tão baixo que a mão-de-obra humana acabará se tornando “ultrapassada”.

Todavia, com relação aos custos de desenvolvimento atuais, se você

acredita que montar um sistema de automação para seu lar é extremamente

caro e que somente milionários tem acesso, sinto lhe dizer, mas está

completamente enganado. Ao projetar seu próprio sistema, além de ter a

autonomia de criar do seu jeito, você ainda economiza, uma vez que vai

desenvolver sua própria tecnologia, ao invés de comprar soluções caras já

prontas.

Já em se tratando de mercado para a área, estudos indicam que hoje há

cerca de 2 milhões de residências brasileiras com potencial para receber

sistemas de automação. E este número vem crescendo a cada ano, provando que

aquilo que era apenas uma ideia de filmes de ficção científica, hoje é real e

muito acessível.

Apesar de haver poucas empresas deste nicho atuando no país, os

consumidores estão se mostrando cada vez mais propensos a aderirem a esse

novo modelo de moradia. Em poucos anos, casas que não forem automatizadas

perderão o valor no mercado imobiliário.

Estima-se que para automação simples, como acionamento de lâmpadas

e tomadas inteligentes, não seja gasto mais do que 2% da obra. Entretanto, uma

casa automatizada poderá chegar a valorizar até 50% no seu valor final.

Caberá então ao projetista conhecer as necessidades do cliente, bem

como saber os princípios anteriormente citados, tais como Programação,

Eletrônica, Física e Matemática.

Mesmo que você não saiba toda essa ciência envolvendo circuitos e

Eletrônica, no curso de Robótica e Automação da Protovie, você terá a

oportunidade de estudar. Não é exigido qualquer pré-requisito, somente sua

vontade em aprender. Como foi visto, projetando seu próprio sistema é possível

economizar e ainda faturar. O curso tem foco na plataforma Arduino pela sua

facilidade, versatilidade, baixo custo e possibilidade de integrá-lo com aparelhos

móveis, bem como sendo possível o acionamento de aparelhos via comando de

voz. Já imaginou que legal você falar “Ligar a luz” e então “magicamente” a

lâmpada da sua casa acender?

Enfim, espero que esses poucos exemplos lhe sirvam de inspiração. O que

parece impossível e complexo, pode se tornar possível quando se deseja muito

fazer e se trabalha com dedicação. Utilize esse livro digital para reforçar seus

conhecimentos, expandir sua mente e criar novas ideias. E também não deixe de

acessar nossa página e blog para ficar por dentro de novidades sobre o mundo

da tecnologia e promoções. Não se esqueça: o mundo precisa de você! Mesmo

que você não seja gênio, acredite no seu potencial e que com seu esforço é

possível realizar coisas FANTÁSTICAS!

Fique bem e até logo!

Equipe PROTOVIE

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