Semana 2
Construir um robô que anda
Transforme o giro de um motor em rolagem firme e projete um chassi que anda sem tombar.
- 65 a 80 minutos
- Missão: Construir uma base com rodas estável e testar como as escolhas de roda, engrenagem e chassi mudam o jeito de ela andar.
Agora que os estudantes sabem o que é um robô, eles constroem um que realmente anda. Aprendem como um motor gira um eixo, como as rodas e as engrenagens transformam esse giro em movimento, e como as engrenagens trocam velocidade por força de giro (torque). Investigam por que algumas bases com rodas tombam e outras ficam firmes (o atrito e a aderência dão agarre, e um centro de massa baixo e largo dá estabilidade) e conhecem a tração diferencial, em que girar as duas rodas em velocidades diferentes é o que dirige o robô. Depois, cada estudante monta e testa a própria base com rodas.
Ao terminar esta semana, você vai conseguir
- Explicar como o motor, o eixo e as rodas transformam o giro em rolagem
- Identificar as rodas, os eixos e as engrenagens de uma base com rodas
- Comparar velocidade e torque, e como as engrenagens trocam um pelo outro
- Usar o atrito e a aderência para explicar por que as rodas agarram ou patinam
- Reconhecer projetos de chassi estáveis e instáveis
- Explicar como a distância entre as rodas e o centro de massa afetam o equilíbrio
- Montar ou simular uma base com rodas e dirigi-la com tração diferencial
- Testar um projeto e melhorá-lo a partir dos resultados
Aprender
Do motor que gira ao robô que rola
Um motor gira quando recebe energia, mas um motor girando sozinho não vai a lugar nenhum. Para andar, o robô liga o motor a um eixo, e o eixo segura as rodas. Quando o motor gira o eixo, as rodas giram e o robô rola.
Então a corrente é esta: o motor gira, o eixo roda, as rodas rolam. Se algum elo dessa corrente estiver frouxo ou faltando, o giro nunca chega ao chão e o robô fica parado.
Por exemplo: Um motor girando um eixo pelado, sem roda, só gira no ar; Uma roda encaixada num eixo que gira faz o robô andar para a frente
As engrenagens trocam velocidade por torque
Engrenagens são rodas dentadas que se encaixam para que uma gire a outra. Quando uma engrenagem pequena gira uma grande, a grande gira mais devagar, mas com mais força de giro. Quando uma grande gira uma pequena, a pequena gira mais rápido, mas com menos força.
Essa força de giro se chama torque. As engrenagens deixam você escolher: um robô lento e forte, capaz de subir ou empurrar, ou um robô rápido e mais fraco, que voa por um piso plano. Você não consegue velocidade máxima e torque máximo ao mesmo tempo: troca um pelo outro.
Por exemplo: Uma bicicleta numa marcha leve: devagar, mas fácil de pedalar na subida (bastante torque); Uma bicicleta numa marcha pesada: rápida no plano, mas difícil de sair do lugar (pouco torque)
Atrito e aderência: como as rodas agarram
Atrito é a força de roçamento entre duas superfícies que se tocam. Sem atrito, uma roda girando só patinaria no lugar e o robô não sairia dali, como pneus no gelo.
Aderência é o quanto uma roda agarra no chão, e ela vem do atrito. Um pneu de borracha no carpete tem muita aderência; uma roda lisa de plástico num piso escorregadio tem pouquíssima. Com boa aderência, o giro da roda vira movimento para a frente de verdade.
Por exemplo: Pneus de borracha agarram no asfalto (muita aderência); Uma roda girando numa superfície molhada ou lisa (pouca aderência); Colocar um elástico em volta de uma roda escorregadia para ela agarrar melhor
Equilíbrio, estabilidade e centro de massa
O centro de massa é o ponto médio onde o peso do robô se concentra. Um robô tomba quando o centro de massa dele passa para fora das rodas.
Para deixar um robô mais estável, mantenha o centro de massa baixo e a base larga. Uma base baixa e larga é difícil de tombar; uma alta, estreita e pesada em cima tomba fácil. É por isso que carros de corrida são baixos e largos, e por isso que uma torre de blocos cai quando fica alta demais.
Por exemplo: Uma base baixa e larga fica em pé numa curva; Uma torre alta de peças tomba quando o robô freia de repente; Colocar a bateria pesada bem embaixo no chassi para abaixar o centro de massa
Projeto do chassi: a estrutura do robô
O chassi é a estrutura que mantém unidos os motores, os eixos, as rodas e a bateria. Um bom chassi mantém as rodas alinhadas, segura os motores com firmeza e coloca as peças pesadas embaixo.
As escolhas de projeto importam: rodas afastadas ou juntas demais, um motor frouxo ou uma estrutura bamba mudam o jeito de o robô andar. O chassi não é só uma caixa: é ele que decide se o robô rola reto, faz curvas limpas e fica em pé.
Por exemplo: Rodas bem alinhadas para o robô rolar em linha reta; Uma estrutura firme para o motor não balançar; O peso mantido embaixo e centralizado sobre as rodas
Tração diferencial: dirigir pela velocidade
A maioria dos robôs pequenos é dirigida por tração diferencial: duas rodas, uma de cada lado, cada uma girada pelo próprio motor. Quando as duas rodas giram na mesma velocidade, o robô vai reto.
Para virar, você gira as rodas em velocidades diferentes. O robô faz a curva para o lado da roda mais lenta. Se uma roda vai para a frente e a outra para trás, o robô gira no próprio eixo. Não existe volante: a diferença de velocidade entre as rodas é a direção.
Por exemplo: As duas rodas na mesma velocidade: reto para a frente; Roda esquerda mais lenta que a direita: o robô faz a curva para a esquerda; Roda esquerda para a frente e direita para trás: o robô gira no próprio eixo
Palavras para conhecer
- Motor:
- Uma peça que gira quando recebe energia, dando ao robô o movimento de que ele precisa para rolar.
- Eixo:
- Uma haste em que a roda é presa, de modo que, quando o eixo gira, a roda gira junto.
- Roda:
- Uma peça redonda que faz o robô rolar pelo chão quando o eixo dela gira.
- Engrenagem:
- Uma roda dentada que se encaixa em outra para transmitir o giro e mudar a velocidade ou a força dele.
- Velocidade:
- O quão rápido o robô anda. Uma engrenagem pequena girando uma grande faz as rodas girarem mais devagar.
- Torque:
- A força de giro que um motor ou uma engrenagem tem. Mais torque significa mais força para mover um robô pesado ou para subir.
- Atrito:
- A força de roçamento entre duas superfícies que se tocam. Ela freia o deslizamento e faz as rodas agarrarem em vez de girar no mesmo lugar.
- Aderência:
- O quanto uma roda agarra no chão. Com boa aderência, a roda empurra o robô para a frente em vez de patinar.
- Equilíbrio:
- Distribuir o peso do robô para que ele fique em pé e não tombe.
- Estabilidade:
- O quanto é difícil tombar um robô. Uma base baixa e larga é mais estável do que uma alta e estreita.
- Centro de massa:
- O ponto médio onde o peso do robô se concentra. Quanto mais baixo o centro de massa, mais difícil é tombar o robô.
- Chassi:
- A estrutura ou base do robô que mantém os motores, as rodas e todo o resto unidos.
- Tração diferencial:
- Um jeito de dirigir girando as duas rodas laterais em velocidades diferentes: o robô vira para o lado da roda mais lenta.
Segurança em primeiro lugar
Leia isto antes de montar ou colocar um robô para funcionar nesta semana.
- Caution:Mantenha dedos, cabelo e roupas soltas longe das rodas e engrenagens em movimento, e desligue o motor antes de trocar peças.
- Caution:Use tesoura sem ponta com um adulto para cortar o papelão e os furos dos eixos, e mantenha as pontas dos espetinhos protegidas.
- Caution:Teste as bases com rodas numa área livre, longe das beiradas de mesa, escadas e desníveis.
- Note:Salve o seu trabalho com frequência para que atualizar o navegador não apague o seu chassi e o seu registro de testes.
Mãos à obra
Escolha o seu caminho
Dá para fazer este curso com um kit de robótica, com o simulador no navegador, ou sem eletrônicos, com materiais de casa. Escolha um: você pode trocar quando quiser sem perder o seu trabalho.
Investigação virtual do chassi
Kit de robóticaExplorar como o tamanho da roda, as engrenagens e o formato da base mudam o jeito de uma base com rodas andar, agarrar e ficar em pé.
- Você vai mudar uma coisa de cada vez (tamanho da roda, engrenagens, largura da base ou peso) e observar como a base anda. Mudar uma coisa de cada vez é o jeito de saber qual mudança causou o quê.
- A cada mudança, anote o que aconteceu com a velocidade, a aderência e a estabilidade. Escreva qual montagem rolou reto e rápido, e qual ficou mais firme.
Troque rodas e engrenagens de verdade numa base de kit
Você precisa de: Um kit de robótica programável com dois motores, Rodas e engrenagens variadas do kit, Folha de atividade Registro de Testes do Chassi
Passos
- 1Monte uma base simples com dois motores e faça-a andar reto pelo chão numa velocidade fixa.
- 2Troque as rodas por um par maior ou menor e percorra a mesma distância de novo. Anote a mudança na velocidade.
- 3Mude as engrenagens (ou a potência do motor) para as rodas girarem mais devagar, e sinta o quanto fica mais difícil parar a base: isso é mais torque.
- 4Coloque uma peça alta em cima, depois abaixe o peso, e veja qual das versões tomba mais fácil.
Como é quando dá certo: Rodas maiores rolam mais rápido, mas custam mais para sair do lugar; uma relação de engrenagens mais baixa dá mais torque; uma base baixa e larga é a mais difícil de tombar.
- Pelo menos três montagens testadas e registradas
- Cada mudança descreve o efeito dela na velocidade, na aderência ou na estabilidade
- Uma montagem é apontada como a mais estável, com um motivo
Segurança: Mantenha dedos, cabelo e roupas soltas longe das engrenagens e rodas em movimento. Desligue o motor antes de trocar rodas ou engrenagens.
Se não funcionar
- A base faz curva em vez de ir reto
- - Verifique se as duas rodas estão bem apertadas e se os motores giram na mesma velocidade; uma roda frouxa ou motores desiguais fazem a base curvar.
- Uma roda gira, mas a base não sai do lugar
- - A roda está patinando: pouca aderência. Tente uma roda que agarre mais ou uma superfície mais áspera.
Vá além: Encontre a combinação de roda e engrenagem que sobe a sua rampa sem travar.
Laboratório virtual de chassi
Projete um robô com rodas e depois veja como ele se sai em quatro testes. Mude uma coisa de cada vez e leia as dicas para entender por que um projeto funciona ou falha.
O seu projeto
Superfície de teste
Superfície: Piso liso
Resultados ao vivo
Resultados dos testes
- Linha retaBom
Andou reto e agarrou bem na superfície.
- CurvaBom
Fez a curva com precisão usando as duas rodas.
- Rampa pequenaBom
Subiu a rampa com força de sobra.
- Superfície escorregadiaRazoável
Ele andou devagar, mas manteve alguma aderência.
Por que isso aconteceu
- Projeto firme e estável: baixo, largo e com boa aderência.
O que você está testando?
- Linha reta:
- Ele consegue rolar reto sem patinar nem balançar?
- Curva:
- Ele consegue fazer a curva com precisão, sem derrapar nem ficar lento demais?
- Rampa pequena:
- Ele tem força e aderência suficientes para subir uma ladeira ou vencer uma resistência?
- Superfície escorregadia:
- Ele ainda anda quando o chão quase não tem aderência?
Desafio da base com rodas
Kit de robóticaMontar uma base com rodas que anda reto, fica em pé e consegue ser dirigida por tração diferencial.
- Monte uma base com duas rodas motrizes, uma de cada lado, mais um apoio na frente ou atrás para ela não tombar. Mantenha as peças pesadas embaixo e as rodas bem alinhadas.
- Teste três coisas: ela rola reto? Dá para dirigi-la girando as rodas em velocidades diferentes? Ela fica em pé quando para e quando faz curva? Corrija uma coisa de cada vez até as três funcionarem.
Base com rodas usando kit físico
Você precisa de: Um kit de robótica programável com dois motores, rodas e eixos, Uma rampa ou livros para o teste de tombamento, Folha de atividade Registro de Testes do Chassi
Passos
- 1Monte um chassi que segure firme dois motores, cada um girando uma roda lateral, com um rodízio ou uma sapata para equilibrar o terceiro ponto de apoio.
- 2Mantenha a bateria e as peças pesadas embaixo e centralizadas, para o centro de massa ficar baixo.
- 3Faça-a andar para a frente e ajuste até rolar reto, depois gire as duas rodas em velocidades diferentes para fazê-la virar.
- 4Teste a estabilidade freando de repente e andando por um plano levemente inclinado.
Como é quando dá certo: Uma base de kit que rola reto, vira por tração diferencial e fica em pé ao frear e num plano levemente inclinado.
- Rola reto por pelo menos um metro
- Vira para a esquerda e para a direita mudando a velocidade das rodas
- Fica em pé ao frear de repente
- Os motores e as rodas estão bem presos
Segurança: Fique longe das rodas e engrenagens em movimento enquanto ela anda. Teste numa área livre, longe de bordas e escadas.
Se não funcionar
- Ela sempre puxa para um lado
- - Um motor pode estar mais rápido ou uma roda frouxa; iguale a velocidade dos motores e aperte as duas rodas.
- Ela tomba para a frente quando para
- - O centro de massa está alto demais ou muito à frente; abaixe o peso e recue-o para cima das rodas.
Vá além: Programe-a para percorrer uma linha reta e depois um quadrado, usando curvas de tração diferencial.
Preveja
Commit to a guess before you test - then see how close you were. Your predictions save automatically.
Como conferir: Incline cada base na rampa (ou use o plano inclinado do simulador) e veja qual tomba primeiro; compare com o seu palpite.
Como conferir: Mude as engrenagens para as rodas girarem mais devagar, suba a rampa e confira se ela sobe melhor mas anda mais devagar.
Testar e melhorar
Teste de velocidade e retidão da base com rodas
Marque uma linha de largada e uma de chegada com um metro de distância. Faça a base andar da largada e registre quantos segundos ela leva e o quanto ela termina fora da linha. Repita três vezes.
O que medir: O tempo para percorrer a distância e o quanto a base se desviou da linha reta
| Run | Tempo até a chegada (segundos) | Desvio da linha reta (cm) | Observações |
|---|---|---|---|
Teste de estabilidade contra tombamento
Coloque a base na rampa e levante a rampa devagar até a base tombar. Registre o ângulo de tombamento (ou o número de livros) para uma montagem baixa e larga e para uma alta e estreita.
O que medir: O ângulo ou a altura da rampa em que cada montagem tomba
| Montagem | Tomba com quantos livros / em que ângulo | Ficou em pé? (S/N) |
|---|---|---|
Verificação de aprendizagem
Responda a estas perguntas para conferir se você entendeu como um robô anda e como ele fica firme.
1. Diagnostique o problema de projeto.
O robô de um estudante é alto e estreito, com a bateria montada em cima. Ele anda reto sem problema, mas tomba toda vez que faz uma curva rápida.
2. Como um motor girando faz um robô rolar pelo chão?
3. Você troca as engrenagens de um robô para as rodas girarem mais devagar. O que você ganha e o que você abre mão?
4. As rodas de um robô giram rápido, mas ele quase não sai do lugar num piso liso e escorregadio. Qual é o problema?
5. Qual base de robô é a mais difícil de tombar?
6. Na tração diferencial, como um robô de duas rodas vira à esquerda?
0 de 6 respondidas
Refletir
As suas reflexões são salvas sozinhas.
O que vem na semana que vem
Semana que vem a sua base com rodas ganha um cérebro: você vai escrever o seu primeiro programa para o robô percorrer sozinho um trajeto planejado.
- Deixe a sua base com rodas montada e funcionando para conseguir programá-la na semana que vem.
- Carregue o seu kit ou salve nos favoritos o simulador e o editor de blocos dele.
- Pense em como você diria a alguém os passos exatos para caminhar da porta até uma cadeira sem ficar olhando essa pessoa.
Termine a semana 2
Conclua estes itens para encerrar a semana e desbloquear a próxima:
- Completar a Investigação virtual do chassi e registrar três montagens (not done yet)
- Montar uma base com rodas que rola reto, é dirigível e fica em pé (not done yet)
- Registrar os testes de velocidade e retidão e de tombamento (not done yet)
- Acertar pelo menos 4 de 5 na verificação de aprendizagem (not done yet)
- Escrever a sua reflexão (not done yet)