Como Crontruir um Robô

Como construir um robô (Tradução)
Enviado por admin em Seg, 10/08/2009 - 09:02
Atenção: Este tutorial não é da minha autoria. Eu apenas traduzi, de forma a fazer chegar a informação junto daqueles que não estão tão à vontade com a língua inglesa. Aqui está o artigo original.
Todas as opiniões e sugestões aqui presentes são provenientes do autor do artigo original.

Alguma falha na tradução ou ortográfica, agradeço que comuniquem.

A motivação é a chave do sucesso
Porque construir um robô? Quais as motivações? Parecem-te fixes? Queres participar num evento de robótica? A robótica pode ensinar-te muito. Irás aprender electrónica, mecânica, controlos, programação, e até irás desenvolver a tua capacidade de perceber as atitudes animais e a psicologia humana. Antes de começares este tutorial, o melhor que fazes é perguntar a ti mesmo quais são os teus objectivos para criar um robô. Se não o fizeres provavelmente irás sentir-te perdido e abandonar a meio por não saberes ao certo porque começaste.

Ok, agora que sabes porque queres construir um robô, vamos começar por falar sobre o que precisas de saber...

Para começar, o primeiro robô é sempre o mais difícil. Por isso, faz uma abordagem leve: começa por uma coisa simples, estúpida! Este é um óptimo conselho, pois o meu primeiro robô era para ser uma coisa extraordinária e acabei por gastar muito dinheiro e nunca funcionou. Enquanto fazes o teu primeiro robô, o teu objectivo deve ser sempre aprender as bases: como programar, como usar as ferramentes, terminologias, tecnologias básicas, e como obter os componentes o mais barato possível. Guarda essa ideia maluca que tens para o teu segundo robô. Podes sempre aproveitar as peças que utilizaste no teu primeiro robô para o segundo. Acredita em mim.

Custos
Ok, estou preparado, do que preciso para começar?

Obviamente, a primeira coisa de que precisas é de DINHEIRO. Os robôs podem ficar caros. Um "hobbista" experiente pode conseguir construir um robô por quase nada (50$, por exemplo). Normalmente tem peças suficientes que foi acumulando ao longo de anos, então não precisa de ir comprar. Ele também sabe como construir os seus componentes em vez de os comprar já feitos, bem como tem a capacidade de improvisar. Por outro lado, um aprendiz não tem estas opções. Podes construir robôs a partir de peças que tens pela tua casa, mas não esperes fazer um robô com borracha e palitos. Espera gastar bom dinheiro nos teus primeiros 2 ou 3 robôs. Pelo menos 100$ a 200$ no teu primeiro. Os teus futuros robôs vão tornar-se mais acessíveis, uma vez que vais ter mais capacidades e mais componentes que vais guardando e que não vais ter de comprar.

Também deves arranjar um sítio para construir o teu robô. Junta-te a um clube de robótica. Por vezes, outros membros emprestam-te componentes, ferramentas, equipamento e ainda a preciosa ajuda e conselhos que vais precisar. Eu lembro-me de falar com meia dúzia de pessoas antes mesmo de iniciar o meu primeiro robô.

Componentes
Ok, já tenho o dinheiro, vamos gastá-lo.

Primeiro precisas de um design. O que faz um robô parecer fixe? Pode parecer uma pergunta estúpida, mas uma olhadela por outros robôs vai-te ajudar. Procura na Internet galerias de robôs (robot galleries). Lembra-te, apenas te interessa ver os robôs simples, NÃO te tornes imaginativo no teu primeiro. Estás a arranjar problemas se queres fazer algo bípede com visão de câmara e um braço para te arranjar uma cerveja. O que procuras é um simples robô de 2 rodas que quase não cometa suicídio a cair da mesa. E para um principiante, isso pode ser bastante complicado.

Então, o teu primeiro robô vai ter 2 rodas. Vai andar com base no mais básico algoritmo de um robô, chamada condução diferencial:

Para andar em frente, ambas as rodas andam para a frente
Para andar para trás, ambas as rodas andam para trás
Para virar para a esquerda, a roda da esquerda anda para trás e a da direita para a frente
Para virar para a direita, a roda da esquerda anda para a frente e a da direita para trás
Com duas rodas, até podes obter curvas interessantes fazendo variar a velocidade de cada uma das rodas. Mas por agora, vamos manter o algoritmo binário para tornar o teu primeiro programa simples. Ah, e não te esqueças de um terceiro apoio (arranja um que faça pouco atrito). Lembras-te da geometria, que precisas de 3 pontos para fazer um avião?

Então mas afinal, de que é que preciso para ter uma condução diferencial? Apenas 2 coisas: 2 rodas e 2 motores. Parece simples, mas agora tens uma série de dificuldades de design.

Vamos começar pelas rodas. Rodas grandes vão permitir ao teu robô andar mais rápido, enquanto rodas pequenas farão andar mais lentamente. Então porque não apenas comprar grandes? Ao usar rodas maiores, provocamos um maior esforço aos motores, o que significa que não vamos poder transportar grandes cargas e é mais difícil controlar a posição exacta. Para além disso, por vezes os sensores não conseguem acompanhar essas mudanças repentinas de posição. Mas por outro lado, robôs que levam uma eternidade a cometer o suicídio (como insistir a ir contra uma parede) são chatos, por isso aqui está a primeira decisão que tens de tomar. Recomendo rodas de 5cm a 7cm de diâmetro para o primeiro robô. Visita websites de aeromodelismo para encontrar boas rodas com tracção. Conta gastar mais 5$ a 10$ como custos de transporte. Não te esqueças de ter em conta a forma como vais juntar as rodas aos motores.

Ok, agora vamos aos motores. Uma solução ideal envolveria cálculos de peso, rácio de engrenagens e desmultiplicação, velocidade e aceleração desejados, voltagem, consumo de energia, controlo e muitas outras coisas que são demais para um iniciante. Então, certifica-te apenas que o robô fica o mais leve possível e escolhe motores pequenos, pois quanto maiores os motores, mais pequena a vida da bateria e mais caro e complicado o circuito de controlo.

As minhas recomendações para um primeiro robô:

Voltagem: 5v - 8v
Torque: o dobro da que pensas que vais precisar
Há muitos websites a vender motores DC. Pondera também comprar servos. Os dois são igualmente complicados de implementar e custam mais ou menos o mesmo. Cada um com as suas vantagens. Os servos são mais fáceis de controlar, mas gastam mais energia, de maneira geral, têm requisitos explícitos e são menos intuitivos. Is motores DC aguentam trabalhos mais forçados e são eficientes e poderosos, mas esquece o controlo inteligente, pois isto não vai acontecer. Conta gastar 1$ - 40$ por motor/servo. Recomendo ficar entre os 8$ e 20$ cada um, para um primeiro robô.

Energia
A seguir vem a energia. Não, energia solar não vai funcionar. Usa uma bateria. Aquando da compra, certifica-te que é recarregável, tem capacidade energética elevada (muitos mAh), e consegue um output de pelo menos 1 Amp a qualquer altura. Pondera pôr baterias, tanto em paralelo, como em série para variar/controlar a voltagem e os mAh.

Há muitos tipos de baterias, vamos então falar das 3 mais comuns:

Alcalinas - são as mais comuns, fáceis de encontrar, e mais baratas. No entanto, são inúteis, não as compres. Têm baixa capacidade energática, são pesafas, têm problemas ao fornecer grande quantidade de corrente em períodos curtos, e fica caro estar sempre a substituir.
NiMH (Nickel Metal Hydride) - são muito boas. Muitas baterias de telemóveis são de NiMH (a indústria está a mudar para o Lithium). Podes recarregá-las quantas vezes quiseres, têm boa corrente, e têm a maior capacidade energética. No entanto, são mais caras do que as outras baterias que eu vou falar. Eu recomendaria estas baterias para robôs pequenos e para alimentar circuitos. Repara, estas baterias demoram habitualmente 5-10 horas a carregar completamente, dependendo de vários factores.
NiCad (Nickel Cadmium) - são boas para pequenos e médios robôs. Têm a maior corrente de output, são mais em conta do que as NiMH's e podem ser recarregadas entre 1 e 2 horas. Os telefones mais antigos usavam estas baterias. Contudo, recarrega-las é uma "arte negra". Já reparaste que os telemóveis mais velhos não se aguentam tanto tempo ao fim de umas utilizações como quando o compraste? Isso chama-se efeito de memória. Uma bateria NiCAD, depois de vários carregamentos, vão tento menos e menos capacidade de armazenar energia. Para evitar esta situação, para recarregar estas baterias, deves descarrega-las completamente antes. Para isso, basta ligares os fios da bateria a um gatinho lindo até ele parar de mexer. Acho que um motor também funciona... E lembra-te, as baterias NiCad contêm substâncias tóxicas, por isso salva um esquilo e recicla-a.
A minha recomendação para um robô pequeno é usar 2 baterias NiMH de 6v. Cada um pode custar 10$-15$ + portes. Compra 2 para isolares a energia para fornecer ao motor da energia dos circuitos electrónicos. Como iniciante, não vais querer que os teus motores interfiram, ou mesmo queimem, o teu circuito sensível. Acredita em mim. Uma batera para os motores, outra para os circuitos. Uma NiMH seria boa para os circuitos e para os motores tanto uma NiCad como NiMH servem, dependendo dos requisitos de energia dos motores que estás a usar. A escolha é tua.

Qualquer que seja a tua escolha, deves usar um bom regulador de tensão para ajudar no controlo da energia do teu robô.

Circuitos
Ok, agora precisas de um circuitos fixes. Esquece fazer o teu próprio. É melhor que o teu primeiro robô seja simples, então um circuito já feito/montado e pronto a funcionar é o mais fácil. Eles chamam-se normalmente microcontroladores, em que os mais populares são baseados em PIC, em Atmel/AVR, em ARM e em BASIC Stamp. Estes últimos são os mais fáceis de trabalhar, mas oferecem menos funcionalidades. Se já tens noções básicas de programação, recomendo ires para uma solução baseada em AVR. Procura no google por microcontroladores. Pessoalmente, eu uso o Cerebellum Microcontroller, mas há muitos mais, e muitos têm sido lançados recentemente. Conta gastar 80$-120$ no controlador em qualquer loja especializada em robótica, mais 30$ no programador (passa o código do computador para a placa - upload), e para os PIC, conta gastar entre 0$ - 600$ num software especial de compilação. Alguns controladores têm programador integrado (é por isso que uso o Cerebellum). Podes também tu próprio fazer um programador barato. E certifica-te que o controlador que compras têm Driver de Motor integrado, LEDs, e muitas portas analógicas de input e output (entrada e saída).

Não te preocupes em perceber o que essas coisas são por agora, apenas certifica-te que ele as possui, o que acontece com a maioria deles. Pondera requisitos de alimentação também. Eles poderão vir com um manual e programas de exemplos que expliquem como os usar. Por isso, não vou eu explicar. Eles podem parecer um pouco complicados, mas na realidade são simples dispositivos de "plug and play". Apenas tens de os ligar à bateria, aos motores e ao teu sensor, programa-o e VOILÁ! O teu circuito fixe está terminado. Quando comprares o teu controlador, tem sempre a "facilidade" em mente. Honestamente, sabes para que servem todas aquelas funções adicionais?

Sensores
Então como transformo o meu robô num..... robô? O "battlebot" não é um verdadeiro robô, porque não tem sensores, e por isso não pode tomar decisões sozinho. Tu queres um autónomo, certo? Tu podes também passar à frente e usar um controlo remoto, agregado ao teu controlador se queres um "battlebot". Mas um robô autónomo vai ajudar-te a impressionar as miúdas.

Então vamos conhecer um sensor simples:

As Fotoresistências são os mais básicos. Alguma vez ouviste falar no robô Photovore? Se não, procura no Google. Basicamente, arranjas 2 fotoresistências (20 cêntimos cada uma), põe uma de cada lado do teu robô e corre um algoritmo binário. Se o sensor da esquerda vê mais luz que o da direita, o teu robo vira para a esquerda. Se vêm a mesma quantidade de luz, diz ao teu robô para andar a direito.
Se apontares os sensores para o chão, tens um robô evitador de obstáculos instantâneo. O teu robô irá evitar as sombras projectadas no chão por objectos no caminho. Sim, é assim tão simples! Há muitos outros sensores, tão simples e baratos como este, mas por agora, este é um bom começo.

Chassis
Ok, agora tens esta tralha toda, mas ainda não tens robô. Agora está na hora de desenhar e depois construir o teu chassis do robô. A razão pela qual eu digo desenhar primeiro é porque planear as coisas antes é sempre uma boa ideia. Por experiência própria descobri que por cada hora que eu passo a desenhar, é menos uma hora que eu passo a construír. Um novato pode ter dificuldades a desenhar, simplesmente porque pode não saber o que funciona e o que não funciona. De qualquer forma, eu recomendo vivamente.

Quando comecei a construír robôs, eu passava 5% do meu tempo a desenhar e a planea-los. Hoje, uns anos depois, que estou mais velho e experiente, gasto cerca de 90% do tempo de construção de um robô na fase de planeamento. Os meus robôs são tão bem planeados que no dia em que recebo as encomendas de material, dentro de um dia, dois, e às vezes em poucas horas, posso ter o meu robô completamente montado. Porque tão rápido? Porque eu uso um programa 3D CAD que mostra a posição exacta de todos os componentes, parafusos, tudo! As partes são desenhadas intencionalmente para que seja necessário o mínimo de furos e cortes. Eu até calculo as forças esperadas e requesitos de energia de tudo para me certificar que tudo funcionará conforme as expectativas. Preferes passar horas a construir uma coisa para no final dizeres, "chiça, não funcionou..."?

Nunca podes deixar de pensar no design, especialmente quando concorres a uma competição como os battlebots, onde as coisas se partem às vezes, ou não tens tempo/dinheiro para gastar com erros.

Ok, agora usa a tua imaginação. Apenas certifica-te que seguiste todos os passos acima. Basicamente tudo o que tens de decidir é a forma, localização de todos os componentes. Quanto mais o planeares, mais barato te fica o projecto e menos tempo precisarás para o construir. Lembra-te de planear coisas como onde irão os seus parafusos, como vais cortar as partes de folhas de alumínio, HDPE, ou caixas de cereais, e manter o peso equilibrado. Brinquedos velhos e lixo acumulado são bons lugares para obter partes estruturais. Usa LEGOs para prototipar e detectar cedo falhas de design. Também recomendo usar velcro e fita-cola de dupla face às vezes, porque torna as modificações fáceis. As baterias devem ser SEMPRE presas com velcro - torna fácil recarregar. Espera modificar muitas coisas no teu primeiro robô, por isso o design deve ser simples de modificar.

Outros Conselhos
Não tentes reinventar a roda. Procura na internet como é que as outras pessoas fizeram e copia-as. Pode não ser muito original, mas afinal é o teu primeiro robô. Não esperes desenvolver a teoria da relatividade na sua primeira tentativa.
Junta-te a um clube de robôs. Têm todo o equipamento e conselhos necessários. E proporcionam também uma grande entre-ajuda. Podes até encontrar um parceiro para construirem um robô em conjunto (e dividir os custos, também).
Inscreve-te em competições de robótica. Isto irá dar-te motivação, um objectivo de design e uma data para conclusão do teu robô. Para além disso, se ganhares dinheiro, abates o preço do teu robô. Não esperes até 2 semanas antes da competição para começar. Também não esperes ganhar à primeira, a menos que tenhas terminado um mês antes da competição. Assim, tens tempo para melhorar e modificar o teu robô. Volta a planear o teu primeiro robô depois de aprenderes com os teus erros e volta a tentar da próxima vez.
Comprar componentes é uma capacidade. Encontrá-los e ter a certeza que correspondem às expectativas e são acessíveis pode ser um verdadeiro desafio. Lembra-te, muitos fabricantes oferecem samples grátis de sensores e circuitos integrados para a 'tua empresa'.
Se por um lado o tamanho do robô aumenta linearmente, o custo e a dificuldade em construi-lo aumenta exponencialmente. Fá-lo o mais pequeno e leve possível.
O mais importante é fazer algo estupidamente simples.