Uma alternativa bastante importante para a movimentação de partes móveis de robôs e outros dispositivos mecatrônicos além das que exigem energia elétrica é a que faz uso da pressão do ar. Assim, os dispositivos pneumáticos são tão importantes como os elétricos e mecânicos dando origem a uma ciência independente que é denominada "pneutrônica". Neste artigo mostramos uma alternativa simples para projetos experimentais e didáticos mas que pode ser extendida para outros usos que é a utilização de músculos pneumáticos.
Pequenos compressores movidos a eletricidade ou mesmo a força muscular são baratos e comuns podendo ser usados como uma fonte de energia para movimentação de diversos dispositivos mecânicos. O uso da pressão do ar de um reservatório pode ser uma alternativa econômica e simples para a movimentação destes dispositivos quando se faz uso dos músculos pneumáticos.
Este músculos que podem ser encontrados em casas especializadas do exterior como um de 15 cm de comprimento pode contrair aproximadamente 2,5 cm (20% de seu comprimento) exercendo uma força de 6,5 libras com pressão de 42 psi.
Na figura 1 damos um exemplo de músculo deste tipo mostrando como ele se contrai ao ser inflado.
A força que podem exercer estes músculos possibilita sua utilização em dispositivos de robótica e automação substituindo servos, solenoides e motores.
Conforme podemos ver pela figura, seu princípio de funcionamento é simples: uando vazio ele mantém seu comprimento máximo e nenhuma força é exercida sobre suas extremidades. No entanto, quando inflado ele "incha" e se contrai em até 25% de seu comprimento exercendo uma força que pode ser aproveitada para se movimentar algum dispositivo externo.
A Images é uma das empresas que fornece músculos pnemáticos (air muscles) e no seu site podemos encontrar mais informações sobre seu uso. O endereço na Internet é:
http://www.imagesco.com/catalog/airmuscle/AirMuscle.html
Também recomendamos o livro Robots, Androids and Animatronics de John Iovine (http://www.amazon.com - digite no search o nome do autor ou do livro), que possui um capítulo completo sobre o assunto.
Usando Os Músculos Pneumáticos
Não é preciso ter um compressor profissional ou dispositivos caros de pneumáticas para se realizar algum tipo de montagem prática usando músculos pneumáticos.
Para isso você precisa inicialmente de alguma fonte de ar sob pressão como a bomba de encher pneus do tipo de pedal, como a mostrada na figura 2.
Este tipo de bomba é bastante comum em casas de produtos importados e custa pouco podendo ser usada como fonte de ar sob pressão para acionamento de diversos músculos exercendo uma força considerável.
Além da bomba pneumática é preciso contar com uma válvula tipo "three way". conforme mostra a figura abaixo.
Esta válvula tem por finalidade fornecer dois caminhos para o ar: numa posição o ar flui do reservatório para o músculo enchendo-o e com isso provocando sua contração e na outra posição ela permite que o ar que está dentro do músculo escape, fazendo com que ele volte à sua condição de relaxado.
Os outros elementos do sistema são relativamente simples de obter como por exemplo os tubos de nylon para condução do ar, o adaptador para a bomba de ar, a tampa adaptadora e uma garrafa vazia de refrigerante PET.
Estas garrafas têm a vantagem de resistir uma considerável pressão interna sem o perigo de estourar. Sabemos que a pressão que elas aguentam está no limite pois elas começam a inchar. Este ponto nunca deve ser ultrapassado.
Nunca deve ser usada garrafa equivalente, principalmente de vidro que, em caso de explosão pode lanár fragmentos de modo extremamente perigoso em todas as direções.
Na figura abaixo mostramos como o sistema deve ser montado para termos o acionamento de um músculo pneumático de forma simples para um projeto experimental ou didático.
Para usar é simples:
Inicialmente bombeia-se o ar para o reservatório (garrafa de refrigerante PET) de modo a se obter uma boa pressão. A válvula de três vias deve estar fechada.
Quando a pressão atingir um bom valor podemos passar ao acionamento. Colocando a válvula na posição 1, o ar flui para o músculo pneumático e obtemos a sua contração.
Passando a válvula para a posição 2, o músculo se esvazia e volta a sua posição de maior comprimento.
Todas estas fases da operação do sistema pneumático experimental são mostradas na figura abaixo.
Interfaceando com o PC
Uma válvula de Nitinol que também é disponível a partir da Images SI pode ser usada para controlar eletricamente o fluxo de ar que entra no músculo e seu esvaziamento. Esta válvula é ligada conforme mostra a figura abaixo utilizando a porta paralela para seu acionamento.
Com um nível lógico alto no pino 2 da porta paralela o TIP31 satura e a válvula é alimentada permitindo que o ar fua para o músculo pneumático. Com o nível baixo a válvula muda de posição e o ar do interior do músculo escapa.
Programa em Basic Para Acionamento:
5 REM Controlador de Válvula de Nitinol
10 REM Revista Mecatronica Atual
15 REM Encontre o Endereço da Porta Paralela
20 DEF SEG = 0 25 a = (PEEK(1032) + 256 * PEEK(1033))
30 REM Próxima linha ativa o músculo
35 OUT a,1
40 REM Próxima linha desativa o músculo
45 OUT a,0
Braço Pneumático
Na figura abaixo mostramos como é possível utilizar o músculo pneumático no acionamento de um braço capaz de levantar um peso considerável.
A mola de retorno é importante para garantir que o braço volte a posição de repouso. Uma alternativa para um retorno que não necessite de muita força é usar um elástico.
Lembramos que no acionamento de um braço temos uma alavanca interpotente e que a força nas extremidades fica dividida segundo a fórmula mostrada na figura abaixo.
Nesta fórmula, a força F que obtemos na extremidade do braço depende de F1 que é a força de contração do músculo e d1 e d2 são as distâncias onde estas forças são aplicadas.
Damos a seguir as características do Músculo Pneumático AM-01 da Images SI Inc de Nova Iorque e que pode ser acessa no endereço:
http://www.imagesco.com/index.html
Nome: AM-01
Comprimento: 150mm
Diametror: 12mm
Carga puxada sob 3.5 bar: 3 quilos
Carga puxada sob 50 PSI: 6.5 lbs
25% de contração com carga de : 3lbs
Bibliografia:
a) Artigos da Images SI Inc no site indicado
b) Robots, Androids and Animatronics - John Iovine McGraw-Hill - 1997
