L.A.M.T- LANÇADOR AUTOMÁTICO COM MANIPULAÇÃO DE TRAJETÓRIA

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Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha (FETLSVC) Curso Técnico de Mecânica PID - Projeto de Integração Disciplinar

L.A.M.T- LANÇADOR AUTOMÁTICO COM MANIPULAÇÃO DE TRAJETÓRIA L.A.M.T- AUTOMATIC LAUNCHER WITH CONTROL OF TRAJECTORY STROSSI, Dêner Bogorni1 ALVES, Gabriel Soares Ledur2 SOUZA, Fabio Ricardo de Oliveira de3 MOMBACH, Augusto Bemfica4 RESUMO O estudo apresenta uma nova ideia de lançador automático de bolas de vôlei com controle da trajetória do saque, que foi concebido desde o conceito até a manufatura da máquina. Esta máquina usa dois motores brushless independentes para controlar a rotação das rodas de lançamento. Com o intuito de controlar o ângulo e curva do saque, um motor de passo controla a inclinação das rodas usando o plano radial das rodas como referência. O sistema não foi completamente automatizado pois não foi instalado um sistema de reposição de bolas, foi apenas projetado em software de CAD 3D. Todos os componentes foram devidamente dimensionados usando coeficiente de segurança de k=1,5 usando a ferramenta CAE do software Autodesk Inventor 2018. O protótipo virtual foi completado. Além disso, o sistema ainda é um protótipo, ou seja, a máquina ainda não foi pensada para ser comercializada, mas sim para demonstrar a engenharia de maneira clara. Palavras-chave: Lançador. Automático. Voleibol. Trajetória.

ABSTRACT This review presents a new idea of an automatic launcher of volleyballs with control of the trajectory of the serve. It was released since the concept until the manufacture of the machine. This machine uses two independent brushless motors to control the rotation speed of the launcher wheels. In order to control the angle and curve of the serve, a step motor manage the inclination of the wheels using the radial plan of the wheels as reference. The system was not completely automatized because an automatic replacement of the ball was not installed, it was only projected in a 3D CAD software. All the components were properly dimensioned based by the security coefficient K=1,5 using the CAE tool of the software Autodesk Inventor 2018.The virtual prototype was completed. Also, the system still a prototype, so the machine cited above was not thought to be marketed, but to show the engineering clearly. Keywords: Automatic. Launcher. Volleyball. Trajectory.

_____________ 1 Aluno do Curso de Técnico de Mecânica da Fundação Liberato, [email protected] 2 Professor orientador. Do Curso de Técnico de Mecânica da Fundação Liberato, [email protected]; 3 Professor co-orientador. Do Curso de Técnico de Mecânica da Fundação Liberato, [email protected]; 4 Professor co-orientador. Do Curso de Técnico de Eletrônica da Fundação Liberato, [email protected];

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1 INTRODUÇÃO O esporte é uma atividade essencial para a boa saúde de um ser humano. Todos os dias surgem pesquisas acerca do quão excelente o esporte se mostra para manter o corpo sadio, aumentar o desempenho físico, etc. Durante a história da sociedade, o esporte também se tornou objeto de disputa, se tornando cada vez mais competitivo. Em consequência disso, o mundo inteiro começou a se focar em métodos de treinamento capazes de dar vantagens aos seus respectivos atletas. O saque, no voleibol, assim como no tênis é o momento em que o indivíduo recebe uma chance de fazer um ponto sem nenhum tipo de interferência do adversário. Quando a bola cai no chão, sem que o time adversário faça pelo menos um passe, a jogada é chamada de “ace”, que não tem uma tradução para o português, visto que no Brasil o mesmo termo é utilizado.Porém os times treinam excessivamente a recepção desses saques para evitar que isso aconteça. O autor abaixo citado também opina sobre os saques no voleibol e traz alguns dados sobre as recepções: O desempenho do saque afeta o equilíbrio entre saque e recepção. No voleibol de alta performance esse desequilíbrio se inclina em direção à recepção. Portanto, 62.0% – 72.6% das recepções são perfeitas no voleibol masculino (recepção que permite o levantador a levantar para qualquer lugar que preferir)e 53.0% – 70.5% são perfeitas no voleibol masculino. (PALAO, 2014, traduzido pelo autor)

Segundo o que foi dito pelo autor, podemos perceber uma ótima taxa de recepções bem sucedidas no voleibol masculino e feminino. Esse valor é resultado de treinos excessivos de recepções, pois não só os receptores melhoram, como cada ano são vistos saques mais potentes e difíceis de serem recebidos com qualidade. Para melhorar a recepção do saque se utilizam máquinas capazes de lançar a bola de voleibol com velocidade semelhante a um saque real. A bola é lançada por duas rodas girando em alta rotação que projetam a bola para frente quando essa tange a superfície da roda. Essa simulação permite ao atleta uma noção muito específica de cada tipo de saque, visto que existem inúmeras maneiras de sacar. Em ordem de aperfeiçoar esse lançamento, as máquinas lançadoras foram aprimoradas com o tempo, e eventualmente foram capazes de controlar com certa exatidão a rotação e o ângulo da saída da bola, essas máquinas são demasiadas caras e as vezes difíceis de se programar. Com o objetivo de sanar esse problema com baixo custo de investimento, foi elaborado um projeto de pesquisa visando a criação de uma máquina capaz de lançar a bola com ângulo, Curso Técnico de Mecânica PID - Projeto de Integração Disciplinar (2018)

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velocidade e rotação controladas. Para isso, duas rodas de lançamento foram independentemente motorizadas por via de motores brushless, controlados por um sistema eletrônico. As rodas são controladas independentemente, pois quando uma girar mais que a outra, a bola sairá com uma rotação, quando o inverso acontecer, a bola sairá girando para o lado oposto também. A rotação que a bola obtiver quando sair da máquina, fará com que a bola faça uma curva por causa do efeito Magnus. Para controlar a direção com mais exatidão, um motor de passo é acoplado concentricamente ao plano de saída da bola. Ele controlará o ângulo no qual as rodas ficarão para lançar a bola. A estrutura metálica é tubular, ou seja, é oca por dentro e mesmo assim consegue sustentar altas cargas em cima dela. A base também é de estruturas tubulares para ser mais leve. Os rodízios são de um material que não risca a quadra. Assim, a máquina pode ser levada de um local para outro com facilidade, sem haver a preocupação de danificar a quadra onde o esporte será praticado. 2 REFERENCIAL TEÓRICO A tecnologia é usada no aprimoramento de todas as dimensões da vida em sociedade. No âmbito esportivo, isso não é diferente. Além disso, esta também é constantemente aplicada nos equipamentos utilizados para a prática esportiva. É possível ver isso, comparando as bolas que eram utilizadas antigamente no futebol. Feitas de couro, mal acabadas e pesadas, dificultavam o dinamismo característico do esporte. Agora, com as bolas tecnologicamente avançadas, projetadas com várias camadas, com o objetivo de dar uma qualidade superior, o jogo se torna cada dia mais rápido (JESUS, 2013). Os tênis e chuteiras usados igualmente sofreram as modificações e hoje existem tecnologias altamente complexas, dentro dos calçados, utilizados por corredores, para aliviar o impacto. Segundo Okazaki(2012): Métodos de treinamento cada vez mais especializados permitem a otimização do desempenho esportivo. Auxílio de análises estatísticas possibilitam a predição de ações dos adversários no jogo para melhor programação da resposta. Equipamentos de vídeo computadorizados corrigem em tempo real e avaliam com detalhes os fatores intervenientes no desempenho. Instrumentos de realidade virtual fornecem a prática de ambientes que condicionam o desenvolvimento mais precoce da prontidão a diversas situações esportivas.

Okazaki (2012) corrobora com Tubino (1980) afirmando que o treinamento de alto nível, para que assim possa ser considerado exige um apoio da tecnologia mais atualizada existente.

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Para melhor compreensão do processo é importante entender a cinemática envolvida em um saque assim como os distintos tipos de reposição de bola em jogo. O primeiro deles é o “saque por baixo”. Esse fundamento é executado com posição corporal estática e movimento de membro superior de baixo para cima. Seu ato final é o contato na parte inferior da bola. Consequentemente ela é projetada para cima, causando um saque longo, linear e trajetória lenta. Essas características fazem com que esse tipo de saque seja pouco utilizado no esporte de alto rendimento, pois ele facilita a primeira recepção da equipe adversária. O segundo tipo de saque também é em posição corporal estática e movimento de membro superior, no entanto, a diferença está que o impacto na bola é numa altura acima da cabeça do jogador, isso permite que ele ponha mais velocidade no saque. Segundo Palao (2014) esse tipo de saque é o mais utilizado no voleibol feminino, entretanto, no masculino, é o menos utilizado. No voleibol masculino, esse saque atinge a velocidade de em média, 41,9-55km/h. No voleibol feminino, essa velocidade subiu para até 61km/h. Além desses dois tipos, existe o “saque flutuante”. Esse saque é capaz de fazer a bola mudar de trajetória no meio do vôo graças a ausência de rotação com que a bola é lançada. Para o autor recém citado, esse tipo de saque compete quase que igualmente em quantidade de uso com o segundo tipo de saque comentado acima na categoria feminina. Já no voleibol masculino ele ganha disparado do outro tipo, porém, ainda é menos utilizado do que o próximo modo que será abordado. As velocidades variam mais, e vão de 40 a 75km/h no masculino e 40 a 60km/h no feminino. O último modo é o mais poderoso, conhecido como “saque viagem”. Ele é realizado com alto poder de impacto, gerando assim as maiores velocidades. Mesmo assim, não é o mais utilizado na categoria feminina, inclusive ocupa a última posição nos estudos de Palao (2014) e Deprá (2004). Para essa categoria, as velocidades vão de 66 a 89km/h já na categoria masculina, as velocidades podem facilmente ultrapassar os 100km/h. Palao (2014) corrobora suas ideias com as de Huang e Hu (2007). Para a dupla de autores, as velocidades medidas também foram essas, visto que Palao (2014) utiliza um numero diversas vezes maior de amostras. Outra variável absolutamente fundamental é a rotação da bola e a influência na sua trajetória. Luvizotto (2012) e Alaways (1998) se correlacionam ao determinar diversas variáveis que podem atuar na trajetória da bola. As principais são: a força de arrasto, a a força de sustentação e o coeficiente magnus.

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Luvizotto (2012) estabelece equações que determinam a trajetória de uma bola de voleibol no seu saque. Os fenômenos físicos e suas grandezas, que atuam sobre a bola no momento em que está desenvolvendo seu curso pelo ar, são variáveis vitais para determinar a trajetória da bola até o chão. O objetivo de realizar um estudo sobre essas inconstantes é obter o controle sobre elas para determinar com o máximo de precisão o ponto em que a bola cairá. Existem alguns parâmetros que interferem no trajeto que a bola faz até chegar ao solo. De forma simples, é possível falar sobre a gravidade e suas influências sobre a bola. Esse seria o modelo mais simples da aplicação da Segunda Lei de Newton (LUVIZOTTO, 2012). Porém, para obter resultados mais precisos, a autora supracitada diz que é necessário considerar mais fatores que baseiam a física da bola durante o saque. Entre esses fatores estão a resistência do ar e o Magnus effect. No modelo semicompleto do software escrito por Luvizzoto (2012), foi adicionada a variável da resistência do ar às equações de aerodinâmica do saque. Para realizar este cálculo, a autora decidiu simplificar a fórmula com a suposição de que a bola partiria sem rotação. Para Luvizotto (2012): Existe uma força que se opõe ao movimento conhecida como arraste ou resistência ar [...] Isto ocorre devido ao contato da superfície da esfera e as moléculas de ar. O ar que circunda a esfera é chamado de fronteira. Neste caso, as moléculas de ar tendem a passar em volta da bola de forma paralela, formando um fluxo de escoamento. O fluxo gera uma separação em torno da esfera criando baixa pressão, desacelerando-a.

No modelo mais completo de simulação de trajetória, a autora adicionou mais uma variável, indispensável para um cálculo preciso da trajetória da bola: O efeito Magnus. Esse efeito trata da mudança da trajetória causada devido à rotação do objeto estudado. Para Luvizotto (2012): Num modelo mais completo considera-se o efeito de rotação da bola. O giro produz uma força que atua perpendicularmente à velocidade da bola. Quando a bola submetida à rotação a pressão em torno da esfera é alterada, isto é o chamado efeito Magnus [...] Para observar isso, seja o caso em que a bola é lançada horizontalmente com a parte superior de rotação, ou seja, o topo da bola está girando na mesma direção que o movimento de translação da bola. No nível microscópico, as moléculas de ar acumulam na parte superior da bola.

3 MATERIAIS E MÉTODOS Essa pesquisa pode ser classificada com âmbito tecnológico experimental, visando a criação de um protótipo. Além disso, com relação à abordagem do estudo, é interessante observar que o projeto será quantitativo e qualitativo, dependendo do estágio do trabalho. Dados exatos serão obtidos nos testes virtuais do projeto, assim como análises qualitativas do protótipo, quando for submetido a testes de qualidade. Quanto aos objetivos, a pesquisa é

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classificada como descritiva, pensando na projeção da máquina, e explicativa, referindo-se às análises físicas relacionadas à trajetória da bola. (SOUZA, et al, 2013). A primeira fase do projeto foi efetivamente modelar o protótipo, afim de obter noções de como o produto seria feito. Claramente, esse modelo 3D esteve sujeito a alterações durante todo o processo, pois o produto evoluiu e os erros de projeto foram contornados. A primeira versão do protótipo, conforme figura 1. foi uma versão onde a cabeça lançadora era elaborada com um rebaixo. Esse rebaixo serviria para repor as bolas com mais facilidade. Porém, como o rebaixo aumentava a alavanca criada pelo protótipo, o motor de passo não seria capaz de fornecer holding torque para controlar o ângulo de partida da bola com exatidão. Figura 1-Modelo inicial do protótipo

Fonte: o Autor (2018) O segundo modelo diminuía o rebaixo, porém seguia com uma alavanca razoável, além disso, o motor de passo nesse modelo seria responsável também por segurar o equipamento todo. O motor de passo não é projetado para sustentar esse tipo de esforço, como será mostrado a seguir. Para o modelo final, o protótipo ficou sem nenhuma alavanca e o modelo do repositor de bolas foi alterado. Além disso, para o motor de passo não sustentar o peso do equipamento Curso Técnico de Mecânica PID - Projeto de Integração Disciplinar (2018)

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sozinho, foi projetado um esquema de mancais de flange. Esse esquema será responsável por sustentar o peso da máquina como mostra a figura 2. Figura 2 Modelo final do protótipo

Fonte: o Autor (2018) A base principal, que da altura à máquina deixa o lançador na altura de 3,20 metros, sendo essa a altura média de saques no voleibol masculino fica acoplada na chapa de metal mostrada na figura 2. Assim, o protótipo final ficará como a figura 3

3.1 Motor Brushless O motor utilizado para transmitir rotação para cada roda será um motor brushless DJI 2212. Esse motor é capaz de transmitir 370W de potência para o eixo árvore na sua máxima rotação. Essa potência, considerando que não haja perdas na transmissão, transmitirá aproximadamente 44N de torque para a roda, somando aproximadamente 88N para o sistema inteiro, já que são duas rodas independentemente motorizadas. O gráfico a seguir mostra a rotação do motor em relação ao PWM. Na sua sigla (Pulse With Modulation), PWM é uma tecnologia capaz de controlar a tensão enviada para um motor e assim controlá-lo em relação à sua velocidade e potência.

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Gráfico 1- Rotação por PWM de um motor Brushless DJI 2212 12000

10000

[RPM]

8000

6000

4000

2000

0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

[PWM]

Fonte: O Autor (2018)

3.2 Dimensionamento Cada componente sofrerá esforços quando a máquina for ligada. Para suportar esses esforços, é necessário realizar estudos garantidores de que nada quebrará ou sofrerá danos permanentes, como dobra, torção, escoamento, etc. Para realizar o estudo supracitado, foi utilizado a ferramenta de CAE (Computer Aided Engineering) do Software Autodesk Inventor 2018®. Essa ferramenta permite executar estudos de esforços e traz resultados de coeficiente de segurança, deslocamento do componente, carga máxima, além de vários outros dados que eventualmente podem ser necessários. 3.3.1 Eixo Árvore O eixo árvore responsável por transmitir a potência do motor para as rodas foi dimensionado levando em consideração todos as cargas que sofreria. O modelo inicial do eixo é mostrado na figura 3.

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Figura 3- Eixo árvore inicial

Fonte: O Autor (2018)

Assim, o modelo foi fixado na sua face mais inferior e um apoio de mancal foi posto no eixo de menor diâmetro. A carga atua sobre o eixo todo quando ele atira a bola. O lançamento faz com que a bola seja comprimida entre as rodas, as rodas nesse momento não podem ceder, então, essa compressão é devolvida pelo eixo igualmente, como rege a segunda lei de Newton. 3.3.2 Base de apoio A base de apoio é onde a cabeça de lançamento é apoiada. Além disso, é a peça que é acoplada na base principal do equipamento. O modelo inicial da base é mostrado na figura abaixo

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Figura 4-Base de apoio

Fonte: O Autor (2018)

3.4 Arduíno O arduíno Uno foi escolhido para comandar o sistema eletrônico do equipamento. Ele será responsável por calcular as rotações que serão desempenhadas individualmente em cada motor. Essas rotações serão calculadas por ele, primeiramente de acordo com as variáveis definidas pelo usuário, quando ele definir posição da máquina, tipo de saque, etc. 4 RESULTADOS Para garantir que nenhum equipamento fosse prejudicado no processo de lançamento, os estudos de CAE trouxeram resultados interessantes para o projeto. De tal modo, as próximas figuras mostram os resultados dos ensaios.

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Figura 5-Tensão de Von Mises do Eixo Arvore

Fonte: O Autor (2018)

Figura 6-Deslocamento Máximo do Eixo àrvore

Fonte: O Autor(2018)

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Figura 7-Tensão de Von mises da base de apoio

Fonte: O Autor (2018) Figura 8- Fator de segurança K para base de apoio

Fonte: O Autor (2018) A partir dos resultados encontrados é possível encontrar várias informações que influenciam nas dimensões do projeto, assim como diversos detalhes que podem ser diferentes.

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Percebe-se pelos modelos que a área azul do eixo é muito grande, isso significa que existe material que não é necessário e que o eixo vai suportar mesmo sendo menor. Mesmo assim, é impossível diminuir o eixo visto que esse diâmetro é necessário para encaixar nos mancais. Foi utilizada uma carga no eixo de 350N. Tal carga foi estipulada dessa maneira visto que a carga máxima do mancal era 660N para um milhão de ciclos. Com 350 N, o fornecedor promete 15 milhões de ciclos. A base obteve um ótimo resultado estrutural. A base foi planejada de acordo com as dimensões necessárias para fixar os componentes da máquina, então não tem opção de ser menor. O fator de segurança se mostrou seis vezes maior que o estipulado e isso torna essa peça totalmente apta a exercer sua função. A espessura da chapa é pequena com o intuito de deixala mais leve, logo, os resultados dela são totalmente satisfatórios. O arduíno foi capaz de controlar os dois motores, todavia, não teve capacidade de fornecer a tensão e corrente necessária. Para isso, foi utilizada uma fonte ou bateria exterior para realizar os testes de controle dos motores. Foi possível controlar cada motor com precisão de aproximadamente 100rpm com o uso de um potenciômetro (equipamento eletrônico que controla o PWM), como mostra o gráfico 1. Além disso, a velocidade máxima de quase 10000 rotações por minuto foi muito mais do que o esperado. 5 CONCLUSÃO Depois de analisar cuidadosamente os dados do protótipo, é visto que todos os componentes sujeitos a cargas consideráveis estão acima do coeficiente estipulado anteriormente. A partir disso, é possível construir um protótipo capaz de lançar a bola. A capacidade desse lançador de controlar a trajetória ainda deve ser testada. O eixo árvore, como demonstrado acima, desenvolve um papel essencial na transmissão da potência. Seu deslocamento máximo foi de 0,08mm. Essa distância é indubitavelmente desconsiderável. Um tópico importante a ser testado com o protótipo é a capacidade de igualar os parâmetros de acordo com o estipulado nos estudos de Deprá (2004), Palao (2014) e Huang (2007). Para validar o potencial da máquina, é necessário que ela consiga atingir os mesmo dados que um saque humano atinge. A alta velocidade dos motores assim como a inercia do peso da roda são ótimos acréscimos para realizar um lançamento decente. A partir dos primeiros testes, se abrirá a possibilidade da validação da curva da bola, assim como o ponto onde cairá, de acordo com as publicações de Alaways (1998) e Luvizotto (2012).

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Depois que tais testes forem concluídos e caso haja validação, a máquina pode ser testada com seres humanos, desse modo, o teste supracitado demonstrará o valor de uso da máquina, avaliada por pessoas que usarão seus recursos ao máximo.

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