Eu projetei esse robô em 2005, quando fui um dos colaboradores da extinta Revista Mecatrônica Fácil da saudosa Editora Saber (bons tempos!!!). Recentemente encontrei o artigo original que escrevi para a revista e é esse que está mais abaixo. O robô ainda existe, e as fotos que você verá nesse artigo foram feitas recentemente, em Agosto de 2020!

INTRODUÇÃO

O robô a ser apresentado neste artigo tem sua montagem tanto eletrônica como mecânica bem simples, sendo recomendado ao iniciante e também ao mais experiente. O robô pode ser aproveitado tanto em feiras e mostras em escolas ou faculdades, como também para diversão por parte daqueles que desejam apenas uma montagem simples e sem o uso de microcontroladores.

O QUE O ROBÔ É CAPAZ DE FAZER?!

Está deve ser a primeira pergunta a ser feita antes de qualquer montagem, seja ela robótica ou outra. Assim fica garantido que as espectativas serão alcançadas.

O Audiobô (nome dado pelo pessoal da editora na época) ou SomBô (nome original) é um robô capaz de responder ao “bater de palmas” ou um outro som “curto” qualquer, como o “estalar dos dedos”, para seu controle. Ele realiza seus movimentos de acordo com uma seqüência lógica. Veja a figura abaixo.

A cada “sinal” recebido, o robô modifica seu “estado interno” e executa um determinado movimento. Assim é possível movimentar o robô à frente, fazê-lo parar, executar um desvio (com o giro do mesmo), pará-lo novamente e então seguir em frente novamente.

O controle deste robô utiliza lógica digital discreta CMOS utilizando contadores (máquinas de estado). Sendo assim, este robô torna-se um forte candidato para uma mostra ou feira em escolas visando demonstrar os conceitos aprendidos em disciplinas como “lógica digital”, “circuitos lógicos”, entre outras do gênero.

Para aquele que deseja apenas uma montagem simples, de um robô capaz de “interagir” com o usuário de uma forma também simples, a montagem também é indicada.

O CIRCUITO

O circuito do SomBô, presente na figura acima, foi dividido em três partes. Estas estão destacadas no circuito por cores:

• Amarelo - Circuito de Clock – Disparo (entrada de som)
• Azul - Contador (flip-flops e portas lógicas adicionais)
• Verde - Controle de potência (motores)

O circuito de “clock” (disparo) é um velho conhecido. Eu o utilizei no robô LixoBô. Esta parte do circuito é formada por CI4 e CI5 (amplificadores operacionais). A função básica de CI4 é amplificar o sinal vindo do microfone. Esta amplificação tem um ganho baixo para evitar que o robô mude seu “estado” erroneamente (disparo errático) devido a ruídos. CI5 opera como um comparador. Sempre que o sinal de saída de CI4 for menor que 2,5V teremos na saída de CI5 também zero volts.

Na saída do circuito de clock apliquei uma porta lógica o tipo “Schimitt Triger” (CI2D) para evitar contagens erradas por parte dos "flip-flops", já que o sinal do sensor tem subida e descida um tanto lentas. Essa “lentidão” foi adotada para evitar que o contador receba um trem de pulsos ao invés de apenas um único pulso. A porta lógica aplicada é uma “NAND” (Não “E”) de duas entradas. Com a configuração adotada ela passa a trabalhar como uma inversora “NOT” (Não), ajustando o sinal de forma adequada a entrada de clock para CI1 (clock na borda de subida do sinal).

O contador do Robô SomBô possui apenas quatro estados possíveis, com valores de “0” à “3”. Assim foi preciso apenas um contador de dois bits e conseqüentemente dois “flip-flops”. Os valores e os “efeitos” no robô foram arranjados conforme a tabela abaixo.

Tabela – Valores e efeitos no robô

A cada sinal do circuito de “clock” (disparo), o circuito contador realiza uma contagem conforme a seqüência da tabela acima. O contador é formado por CI1, um duplo “flip-flop” do tipo “D” (CD4013) e por partes de CI2 (CI2A, CI2B e CI2C) um CI com quatro portas “NAND” (Não “E”) Schimitt Trigger e CI3 (CI3A e CI3B) um CI com quatro portas “AND” (“E”). Todos estes CIs são CMOS.

O bloco formado por CI2A, CI2B e CI2C formam uma porta lógica “OR” (OU) de duas entradas e uma saída. Utilizando este tipo de associação, economizou-se mais um CI no circuito. Na tabela abaixo, você tem a “tabela verdade” desta implementação.

Tabela – Porta OR montada com portas NAND

O capacitor C1 e o resitor R1 formam o circuito para set/reset dos “flip-flops”. O primeiro “flip-flop” (CI1A) é setado (“1” lógico presente em sua saída) e o outro (CI1B) é “resetado” (“0” lógico presente em sua saída) durante o “start-up” (ligar) do circuito. Observando a tabela "Valores e efeitos no robô", fica fácil entender o porque disso. Dessa forma o “contador” inicia sua contagem em “2” (“10” binário). Ao primeiro sinal sonoro (disparo de clock) o robô se movimenta à frente, e depois segue a seqüência informada na tabela. Percebe-se então que é possível modificar o ponto inicial de um contador qualquer. Isso as vezes pode ser muito útil, como no caso do circuito apresentado.

O controle de potência é feito pelos transistores Q1 e Q2, controlados pela lógica formada por CI3C e CI3D. Estas portas “AND” são ligadas as saídas dos “flip-flops” e refletem nos motores o controle desejado. Na tabela abaixo é dada a “tabela verdade” deste conjunto.

Tabela – Controle dos motores

Observando o circuito, nota-se que a porta lógica CI3C tem uma de suas entradas ligada ao VCC. Sendo assim temos nesta entrada “1” lógico sempre. Para que sua saída seja levada a nível lógico também “1”, basta que sua outra entrada receba nível lógico “1”. Esta entrada está ligada ao CI1B. Revendo a tabela "Controle dos motores", percebe-se que isso é feito para os números “1” e “3”. Ou seja, o motor “1” (ligado a Q1) é acionado sempre que CI1B tiver nível lógico “1” presente em sua saída. Já o motor “2” (ligado a Q2) só será acionado quando ambas as saídas de CI1A e CI1B mostraram nível lógico “1” em suas saídas, devido a dependência entre CI3C e CI3D.

MONTAGEM ELETRÔNICA

Na figura acima temos o “lay-out” para circuito impresso utilizado em meu protótipo, além da imagem da placa pronta e instalada no robô (feita em 08/2020!). Para os CIs recomendo o uso de suportes/soquetes. Isso facilita a troca e/ou reutilização dos CIs em outros protótipos (projetos) se e quando necessário, por exemplo.

Tenha cuidado ao soldar os CI's (caso esta tenha sido sua escolha) e outros componentes polarizados como transistores, diodos, capacitores eletrolíticos e LEDs. Qualquer inversão provocará o não funcionamento do circuito e, eventualmente, a perda do componente.

Note que CI1, CI2 e CI3 possuem 14 pinos e sendo assim, é fácil confundi-los entre si. Tenha bastante cuidado ao inseri-los no circuito. CI4 e CI5 são iguais e a troca dos mesmos não causará nenhum efeito danoso ao circuito.

Os resistores utilizados são todos de 1/8W e os capacitores, salvo qualquer indicação contrária, são cerâmicos.

Os capacitores C1, C2, C3, C4 e C5 não são do tipo polarizados. Sua ligação ao circuito é tranqüila e não requer atenção no quesito polaridade. A única recomendação é com relação a C5, que deve ser do tipo poliéster. O capacitor C6 é do tipo eletrolítico e, portanto, possui polaridade. Veja atentamente na figura com o desenho da placa a maneira correta de soldá-lo ao circuito (polaridade).

O microfone (MIC1) é do tipo “eletreto” de dois terminais e nenhum outro é admitido nesta montagem. Para ligá-lo ao circuito utilize um cabo com malha mono para áudio. Evite cabos paralelos ou qualquer outro tipo diferente do indicado. Lembre-se que trata-se de uma etapa de áudio e a captação de ruídos pode inviabilizar o uso do circuito. A malha do cabo deve ser ligado ao ponto de “massa” (terra) do microfone (ponto ligado a carcaça) e ao “terra” da placa, conforme indicado no circuito e na figura "Lay-out do circuito". O comprimento deste cabo não deve ultrapassar 20 cm.

Os LEDS, dependendo da montagem, necessitarão de cabos de extensão para a fixação dos mesmos no chassi. Para esse cabo qualquer fio fino e maleável pode ser utilizado. Evite cabos rijos neste tipo de montagem.

Os capacitores C7 e C8 não estão presentes na placa, pois os mesmos foram soldados diretamente sobre os terminais dos motores.

A chave S1 foi ligada de maneira a interligar os cabos pretos (“-“) de cada um dos suportes de pilha utilizados no circuito para VCC_1 e VCC_2. Veja a figura abaixo.

Motores com alto consumo de corrente farão os transistores Q1 e Q2 aquecerem e neste caso é recomendado o uso de dissipadores de calor para os transistores. É claro que se este for o caso, muito provavelmente você deverá substituir as pilhas utilizadas na alimentação destes por uma bateria recarregável com um fator “Ah” adequado ao consumo dos motores e ao tempo de operação desejada.

MONTAGEM MECÂNICA

A montagem mecânica de meu protótipo foi feita com um pedaço de plástico, retirado de uma “prancheta” fora de uso, com 190 mm x 140 mm (comprimento x largura) e 3 mm de espessura.

O “case” superior foi aproveitado de um pote de sorvete re-aproveitado. A tampa do mesmo foi parafusada a base plástica. Na parte superior foram feitos três furos para a montagem do microfone e dos LEDs. Os LEDs devem ser montados no chassi de forma que seja possível visualizar os valores binários informados na tabela 1. Isso ajuda no efeito visual e também na compreensão do estado atual do robô (comando executado). Para isso, D3 deve ficar sempre a esquerda de D4. Um outro detalhe sobre a montagem diz respeito ao microfone. Este deve, preferencialmente ficar no topo do chassi construído. Desta forma a captação do sinal será facilitada.

A chave S1 foi montada na parte inferior do robô. Os motores utilizados foram retirados de brinquedos fora de uso. Preferi adotar a alimentação separada para os motores já que estes usavam 3VDC em sua alimentação.

O uso de motores e caixas de redução deste tipo (reaproveitadas de brinquedos velhos e fora de uso) permitiu um sensível barateamento na montagem mas mantendo uma boa qualidade na mesma. Caso você prefira, poderá utilizar caixas de redução específicas para montagens robóticas como as comercializadas via Internet.

TESTE E USO

Antes de iniciar os testes, como é de praxe, recomenda-se uma minuciosa revisão em todas as ligações, placa, soldas, etc. É preferível perder alguns minutos em um “check-up” da montagem a perder horas tentando entender porque o circuito não funciona.

Para testar o robô, basta inserir as pilhas nos suportes e ligar a chave S1. Se tudo correr bem o LED “D3” deverá acender com D4 apagado. Se você disponibilizou corretamente os LEDs, o número binário “10” poderá ser lido nos LEDs (“1” para LED aceso e “0” para o LED apagado). Neste “estado” o robô permanecerá parado.

Estale os dedos ou bata palmas uma vez para o “estado” dos LEDs mudar para “11” (ambos acesos). Os motores M1 e M2 deverão ligar e o robô deve se movimentar para frente (ajuste as ligações dos mesmos à placa, caso perceba alguma troca nos sentidos dos mesmos).

Com mais um “estimulo” (bater de palmas ou estalar dos dedos) o robô deverá novamente parar. Ambos os LEDs estarão agora apagados, indicando o valor “00” no contador (estado). Outro estimulo e o valor “01” poderá ser visto nos LEDs e apenas M1 será ligado. Isso faz com que o robô gire sobre um circulo, com centro em M2 (motor parado). Este é o movimento que faz o robô virar. Com mais um estimulo, os LEDs voltam ao estado inicial “10” e um novo ciclo pode ser iniciado.

AJUDA COM PROBLEMAS

Abaixo listo algumas dicas que poderão ajudar caso você se depare com algum problema:

Meu robô não funciona. Bato palmas, estalo os dedos e nada acontece! Ele não se mexe!

• verifique a alimentação (pilhas e posição das mesmas).
• verifique a ligação dos suportes de pilha ao circuito.
• verifique se não trocou CI1, CI2 e CI3 entre eles. Qualquer troca e o circuito não funcionará.
• verifique se o microfone MIC1 foi corretamente ligado (O microfone é polarizado! Veja o texto).
• verifique toda a montagem e a confecção da placa. Procure por trilhas e ilhas desconectadas, soldas frias, etc.

Meu robô funciona mas parece doido, não anda para frente e gira no próprio eixo!

• inverta a posição dos fios de M1 ou M2. Os fios a serem invertidos serão aqueles do motor que gira ao contrário do movimento desejdo.

Meu robô ao girar faz o movimento para trás!

• esse efeito é obtido pela troca das ligações entre M1 e M2. Ele não afeta o funcionamento do robô. Para corrigir troque as ligações entre M1 e M2, inclusive a fiação (positivo com negativo) de cada um. Neste caso, a traseira do seu robô agora será a frente, e a frente a parte traseira.

MAIS SUGESTÕES DE USO

Você poderá, como sugestão de uso, promover competições entre dois ou mais robôs. Construa uma pista com obstáculos. Cada participante deverá desviar dos obstáculos sem tocá-los. Ganha quem chegar ao final da pista no menor tempo.

Uma outra dica para a mesma competição é iniciar a prova com uma pontuação fixa qualquer e descontar pontos ao tocar um obstáculo. A cada toque um valor é descontado da pontuação inicial. Ganha aquele que chegar no final com o maior número de pontos e, portanto, o que tiver o menor número de toque nos obstáculos.

Outra competição interessante seria “juntar” ambas as dicas e promover uma prova considerando o menor tempo e a maior pontuação obitida (menor número de descontos na pontuação inicial).

CONCLUSÃO

O robô apresentado neste artigo é bem simples, mas como dito pode ser utilizado de várias maneiras, indo desde uma demonstração da aplicação de circuitos lógicos ao seu uso por simples prazer e diversão. O mais importante é perceber que é possível construir um robô simples, utilizando circuito lógicos de baixo custo. Espero que esta montagem possa ser usufruída por muitos. Boa montagem e até a próxima!

DOWNLOADS

- Circuito eletrônico - retirado da revista
- Lay-out da placa de circuito impresso - lado cobreado - invertido - método confecção manual
- Lay-out da placa de circuito impresso - lado cobreado - não invertido - método confecção transf. térmica
- Mascará da placa (Silk dos componentes) - invertido - método confecção transf. térmica
- Lista de materiais

Este projeto foi publicado, com minha autorização, na Revista Mecatrônica Fácil nº 22 de Maio/Junho de 2005.

Especificações:

- Cérebro - Portas lógicas CMOS
- Motores - 2 motores DC com caixa de redução
- Sensores - nenhum
- Alimentação- 3VDC para os motores, 6VDC para o circuito lógico
- Chassi - Pedaço de prancheta plástica, Pote de sorvete, etc
- Programa - nenhum!