Segundo BERNARDI et al.. (2002), "… o amplo espectro de produtos que utilizam a mecatrônica torna difícil chegar a uma definição universalmente válida para o que seriam os produtos mecatrônicos." Nesse tópico será sistematizada uma concepção genérica para um produto mecatrônico com base na discussão anteriormente realizada. Em linhas gerais um produto mecatrônico deve basicamente obedecer aos seguintes critérios:
• de integração de tecnologias mecânica, eletrônica e de software;
• de que as funções básicas do produto sejam providas pela interação entre as tecnologias que o compõem;
• de que o produto possa ser entendido como um sistema de controle malha aberta ou malha fechada.
Os principais componentes desse tipo de produto são, segundo BRADLEY (1991):
• sensores e instrumentação: sistema de mensuração utilizado no produto para controlar condições de operação e/ou ambientais. Os sensores são os componentes do sistema de medição que respondem a um parâmetro físico que se deseja medir. Algumas vezes os sensores são acompanhados de transdutores que são componentes que convertem um
determinado tipo de energia em um outro que possa ser melhor processado pelo sistema. Instrumentação é o projeto do tratamento do sinal interfaceando-o com o sistema microprocessado de controle e reduzindo o ruído oriundo do ambiente de medição.
• software de processamento/controle: É o principal componente lógico do sistema.
Nele são armazenadas e comandadas as principais funções do produto. As informações oriundas dos sensores e transdutores utilizados são processadas e rotinas são executadas de maneira a comandar a operação do produto. Esse componente pode ser central ou distribuído, podendo comportar soluções em software de baixo nível (assembly) armazenado em memórias removíveis por ultra-violeta (EPROM) ou microcontrolador dedicado, ou em programação de alto nível utilizando C++, Delphi etc., opção normalmente utilizada quando o sistema exige uma interface mais elaborada com o usuário do produto. Em casos nos quais sejam exigidas altas confiabilidade e robustez do sistema de controle, o software pode ser substituído por projeto de lógica digital discreta ou circuitos baseados em programação por portas pré-programadas (field programmable gate array - FPGA). O componente de software comporta também funcionalidades de processamento de sinais, tais como processamento de imagens, armazenamento de dados etc. É importante observar que o componente de software em um produto mecatrônico pode comportar apenas as funções de processamento de sinais sem implementar qualquer função de controle.
• atuadores e drives: os atuadores são componentes robustos utilizados para corrigir o funcionamento do sistema. São comumente soluções mecânicas ou eletromecânicas que agem diretamente sobre o mecanismo que realiza a operação básica do produto. Os drives são tipos de circuitos eletrônicos que realizam a interface com os sinais de controle gerados pelo sistema microprocessado atribuindo-lhes a potência (normalmente por amplificação de corrente) necessária à alimentação dos atuadores.
• projeto de engenharia: é o projeto básico do mecanismo ou solução de engenharia para o propósito ao qual o produto deve atender. Quando integrado em equipamentos mecatrônicos, é necessário que o projeto básico leve em consideração os demais componentes mecatrônicos desde sua concepção. Essa solução, diferentemente da abordagem tradicional, deve observar os requisitos dos sensores e atuadores a serem utilizados, e estes normalmente influenciam a escolha do microprocessador a ser usado no projeto. O grau de interação humano-máquina, os níveis de flexibilidade necessários às diferentes configurações de produto e a severidade dos requisitos de segurança devem ser cuidadosamente analisados de forma a gerar as especificações para o projeto dos demais componentes do sistema mecatrônico.
• sistema de comunicação: os sistemas de comunicação não estão necessariamente presentes em todos os produtos mecatrônicos, mas são fundamentais no projeto de sistemas de controle distribuído como é o caso dos sistemas flexíveis de manufatura, de sistemas de controle à distância, a exemplo dos robôs de exploração interplanetária, ou mesmo de sistemas mais comuns, como é o caso dos aparelhos de telefonia celular. Sistemas de comunicação são os meios físicos ou eletromagnéticos através dos quais os sinais produzidos e utilizados por sensores, microprocessadores e atuadores transitam através do sistema mecatrônico. Entre os meios de comunicação mais presentes temos as redes locais (Local
Area NetworkS- LANS) que utilizam tecnologia de fibra óptica e protocolos de comunicação
de sistemas abertos (Open Systems Interconnection – OSI/ISO) e ultimamente os sistemas sem fio (Wireless Fidelity - WI-FI).
A Figura 12 apresenta um esquema genérico para um produto mecatrônico com os componentes definidos acima. O fluxo principal é exemplificado pelas setas cheias na horizontal. Essas setas representam, basicamente, um fluxo de informações, à exceção das identificadas com um asterisco (*). Entre atuador e projeto de engenharia e entre esse e a
aplicação, o fluxo principal pode ser também de energia ou materiais. As setas tracejadas na vertical identificam os possíveis fluxos de informação realizados através dos sistemas de comunicação. As aplicações identificadas na Figura 12 demonstram as possibilidades de introdução de componentes e módulos mecatrônicos na indústria de processos (petróleo), de produtos de massa (carros) ou defesa (aviões militares). O sistema mecatrônico é, entretanto, na maioria da vezes, comercializado como produto final.
Projeto de Enge- nharia Sensor/ transdutor Instru- mentação Atuador Drive Software de processa- mento / controle Software de processa- mento / controle
Sistema de comunicação
Sistema de comunicação
*
*
*
SISTEMA
MECATRÔNICO
APLICA-ÇÃO
Figura 12 - Elementos de um sistema mecatrônico
A Figura 13 apresenta um esquema de uma câmara reflex descrita conforme os elementos identificados na Figura 12. O software de controle é distribuído em dois microprocessadores de 8 bits equipados com memórias removíveis eletricamente (EEPROM), um localizado no corpo da câmera e um outro na objetiva. O projeto básico de engenharia da câmera é representado na figura pelo conjunto de lentes e o filme localizado na parte traseira da câmera. Através da regulação de abertura e tempo de exposição, a imagem é formada no filme químico. A objetiva comporta um conjunto de atuadores com função de ajuste de foco e de abertura. Há um conjunto de sensores que interpretam o padrão de iluminação em posições diferentes da imagem captada (central, adjascente e periférica) e também há sensores que
identificam a posição relativa das lentes e a enviam para o controlador central e deste para o
display (ver BRADLEY et. Al., 1991).
Botões Ajuste de foco Display Display Shutter magnético Avanço do
filme Retorno dofilme Controlador central do equipamento Controlador central do equipamento Ajuste de abertura Sensores de imagem Posição das lentes Controlador das lentes Lentes Sensor de exposição Posição do filme Filme
Figura 13 - Descrição de uma câmara reflex a partir dos elementos de sistemas mecatrônicos. (Adaptado de BRADLEY, 1991, p. 444)
Na parte central do equipamento encontram-se sensores e atuadores que regulam o tempo de exposição da câmera para uma determinada condição de imagem, movimentam o filme e indicam a quantidade de fotos ainda nele disponível. Os botões e displays fazem parte do projeto da interface humano-máquina, assunto retomado no item 5.3.1.8.
A Figura 14 apresenta a descrição de um mouse sem fio como produto mecatrônico. Observa-se a introdução do sistema de comunicação como elemento fundamental do projeto. A engenharia básica do mouse óptico consiste na utilização de um diodo emissor de luz (light
emmiting diode - LED) como fonte de luz. A luz incide sobre a superfície na qual o mouse se
encontra, é refletida e atravessa uma lente que converge em um fotosensor. O fotosensor comporta uma câmera de semicondutor de metal-óxido complementar (complementary metal-
oxide-semiconductor – CMOS) que faz fotos de uma pequena área na superfície, montando
processing - DSP) quanto à direção e velocidade do movimento e transformado em
coordenadas enviadas por radio freqüência (RF) ao computador.
Fotosensor DSP Execução da operação Software do processamento Lente LED Suporte Eletrônica de pré-processamento Botões Transceiver Receiver Legenda: DSP:Processador de sinais digitais
Figura 14 - Descrição de um mouse sem fio a partir dos elementos de sistemas mecatrônicos . (Adaptado de:
http://www.uniqueics.com/htmls/od_optical_mouse.htm, acesso em 23/11/2005)
O atuador do mouse óptico é representado pelo ícone que aparece na tela do computador. Uma vez que o sistema é malha aberta, não há correção automática do posicionamento do dispositivo. Há sistemas com mouse óptico se comunicando com o computador através de interfaces para sistemas pessoais (Personal System/2 - PS/2), entretanto, na figura é representado um sistema com interface serial universal (Universal
Serial Bus – USB) no qual há um receiver em série com um controlador de RF. O sistema de
comunicação é determinado pela freqüência de oscilação do fotosensor. Ambos, tranceiver e
receiver, são sintonizados nessa freqüência. A transmissão e a recepção do sinal é realizada
por antenas de ciclo (loop antennas) projetadas como sistema indutivos-capacitivos (LC) de superfície (PCB loop antenna), conforme descrito em MOTOROLA (2004, p. 41) fazendo parte dos próprios circuitos transceiver e receiver, respectivamente. Entre as especificações principais desse tipo de dispositivo constam a freqüência de trabalho e a distância de operação.
A Figura 15 apresenta um sistema mecatrônico desenvolvido para ser integrado em um produto final. Trata-se de uma representação simplificada de uma unidade de controle eletrônico de motores de automóveis (ECU).
Motor Controlador central do equipamento Controlador central do equipamento Injetor 1
Injetor 1 Injetor 2Injetor 2 Injetor nInjetor n Bomba de gasolina Bomba de gasolina Sensor de temperatura Sensor de pressão Sensor de oxigênio Sensor de velocidade Ajuste de mistura
Figura 15 - Descrição de uma unidade eletrônica de controle de motores (Adaptado de
http://members.rennlist.com/pbanders/ecu.htm, acesso em 21/11/2005)
A ECU controla o momento e a duração do pulso de tensão imposto aos injetores, assim como a operação do sistema de disparo do motor quando o automóvel é ligado. O conjunto motor-injetores-bomba de gasolina representa o projeto básico do motor à combustão interna. Um conjunto de sensores analógicos permite o monitoramento das condições de temperatura, pressão, quantidade de oxigênio disponível para a queima e velocidade do motor. Esses parâmetros são utilizados para estabelecer a quantidade mínima de combustível necessária à manutenção da velocidade do motor em condições de operação normal. Portanto, os atuadores básicos são válvulas que regulam a concentração de combustível e ar na mistura introduzida nos injetores. Considerando as altas potências de operação de motores automotivos, os projetos dos circuitos de instrumentação e driver tornam-se bastante complexos.
Uma descrição detalhada do funcionamento da ECU e dos sistemas automotivos de injeção eletrônica pode ser encontrado no site http://www.autoshop101.com/autoshop15.html
(acesso em 23/12/2005), cujos artigos são assinados pela Toyota Motor Company dos Estados Unidos.
Um robô de exploração interplanetária pode ser visto como um produto mecatrônico cuja função principal é exercida apenas com a intensa utilização do componente “sistema de comunicação”, conforme ilustrado na Figura 16.
Rede de espaço profundo
Rover
Antena UHF
Antena ajustável de alto ganho uni-direcional Antena fixa de baixo ganho omni-direcional
Marte
Terra
Figura 16 – Esquema de comunicações da missão “robô exploratório de marte”. (Fonte:
http://mars.jpl.nasa.gov/mer/mission/spacecraft_rover_antennas.html, acesso em 22/11/2005)
O veículo robótico remotamente controlado (rover) contém um conjunto de antenas cujo objetivo é manter comunicação com a base em terra. Para isto foram projetadas três antenas denominadas “rede de espaço profundo” (Deeep Space Network - DSN) que estão localizadas a aproximadamente 120º entre si (California, Madri e Camberra) de maneira a manter comunicação com veículos em missões espaciais independente do movimento de rotação do planeta. No rover, há duas antenas com capacidade de transmissão e recepção de sinais direto da DSN. Uma das antenas é fixa e envia dados a baixas taxas de transmissão em todas as direções. Essa antena é de baixo ganho e sua alta robustez e confiabilidade visam garantir a recepção de dados da missão. A outra antena com capacidade de envio de dados
para Terra é unidirecional, porém conta com capacidade de ajuste de direção. Essa antena é capaz de enviar grandes pacotes de dados.
A terceira antena visa a comunicação do rover com veículos espaciais que estejam em missão próximos à sua órbita. É uma antena de freqüência ultra alta (ultra high frequency – UHF) de baixa capacidade de transmissão de dados (bit rate) se comparada com as anteriores. Embora o exemplo da missão de exploração do solo marciano seja extremo na necessidade de uso de sistemas de comunicação, sistemas de manufatura comumente exigem um forte aporte nesse componente, assim como equipamentos de uso geral que impliquem em comunicação através de computadores, tais como aparelhos celulares, sistemas Palm com Wi-Fi etc.
Atualmente há grande esforço de pesquisa e desenvolvimento em uma área que tem sido chamada de adaptrônica, a qual daria conta de "estruturas adaptativas" ou "estruturas inteligentes", sendo basicamente "… a integração de atuadores, sensores e controladores com materiais e componentes estruturais." (GIURGIUTIU et al., 2002). Em outras palavras um componente adaptrônico contém sensores, atuadores e controladores em seu interior. Muitas das aplicações desse conceito faz uso de propriedades piezoelétrica de diferentes tipos de materiais, conforme descrito em LETTY et al.. (2005).
Uma outra forma de compreender os produtos mecatrônicos é apresentada por TOMATIS et al.. (2001), a qual é ilustrada na Figura 17.
Mecânica Eletrônica Hardware computacional Sistema operacional Programas aplicativos Usuário Interface homem-máquina Produto mecatrônico
Figura 17 - Outra forma de visualizar os componentes de um produto mecatrônico. (Fonte: TOMATIS et al.., 2001, p. 3)
A forma de representação proposta por TOMATIS et al. (op. cit.) é baseada no conceito de camadas (layers). Segundo o autor todo produto mecatrônico é formado de camadas que se iniciam com a mecânica do sistema, passa pela eletrônica e pelo hardware computacional, e através do software utilizado com seu sistema operacional dedicado se comunica com o usuário mediante uma interface humano-máquina bem definida. Cada camada atinge o desempenho esperado apenas quando a camada inferior está operando a contento. Para o autor o grande número de interfaces necessárias entre as camadas explicaria a alta complexidade dos produtos mecatrônicos.
A representação sugerida por TOMATIS et al. (op. cit.) tem como principal ponto positivo o fato de permitir um melhor entendimento do componente "software de controle" apresentado na Figura 12, uma vez que esse software pode assumir um grau de complexidade tal que seja necessária a utilização de sistemas operacionais específicos para o projeto do equipamento (ver Figura 17), especialmente quando se desenvolve robôs. Um outro aspecto positivo é deixar clara a existência de uma camada entre o projeto eminentemente eletrônico e o software de controle representada pelo hardware computacional. Enfim, ao explicitar a camada de "interface humano-máquina", o autor demonstra a importância desse elemento
para o projeto de equipamentos mecatrônicos, os quais, comumente, são mais complexos de operar que sistemas baseados em apenas uma área de conhecimento.