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Este arquivo é versão entregue do meu TCC, na Faculdade de Tecnologia SENAI - Pernambuco. Mostra a construção de um protótipo de um robô lançador de bolas ao cesto. O protótipo ficou com parte da mecânica e elétrica do modelo proposto, ficando a automação com a indicação de soluções e proposta para trabalhos futuros. O resultados obtidos, podem ser vistos em: https://www.youtube.com/watch?v=Wwhzlr4E-Dg.
Tipologia: Teses (TCC)
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Não perca as partes importantes!
Leonel Carneiro do Espírito Santo
uma contribuição tecnológica ao basquete
Recife 2018
Leonel Carneiro do Espírito Santo
uma contribuição tecnológica ao basquete
Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, submetido à Faculdade de Tecnologia SENAI Pernambuco, como requisito à obtenção do grau de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial. Orientador: Erwin Rommel Ferreira Costa
Recife 2018
Agradeço a Deus e aos meus pais pela vida. Agradeço, especialmente, aos meus irmãos, esposa e filhos, pela compreensão, incentivo e apoio incondicional que a mim dedicaram. Agradeço a todos os professores pela dedicação no desempenho de suas funções e, em especial, ao Prof. Erwin pelo empenho e paciência como orientador deste trabalho. Agradeço ainda aos colegas e amigos, pelo companheirismo e pelos bons momentos que passamos juntos. Por fim, agradeço a todos os colaboradores da Faculdade de Tecnologia SENAI Pernambuco, que estiveram comigo nessa jornada.
Sob a perspectiva da física clássica, mais precisamente da cinemática dos lançamentos oblíquos, este trabalho busca apresentar soluções tecnológicas para arremessos de bola ao cesto. Foram identificadas algumas tecnologias e máquinas destinadas ao apoio, treinamento e à melhoria de desempenho ou atratividade nos esportes, enfatizando o basquete. Para servir como ferramenta de apoio ao basquete, foram propostos modelos construtivos de várias partes de um robô. Foram propostas soluções para: a ferramenta de lançamento, postura do braço, locomoção do robô e localização automática da cesta. Com os resultados dos testes desses modelos, foi proposto um protótipo que, pudesse ser aplicado em: treinamento de arremessos, estudos de física, estudos e competições de robótica. Resultados de testes e simulações das partes propostas são apresentados em gráficos e imagens diversas. Um protótipo em escala reduzida foi parcialmente montado, contando com a base, os mecanismos de lançamento, locomoção, direção e postura. O reaproveitamento ou reciclagem de peças e materiais foi uma constante nas soluções propostas. Motores DC, componentes automotivos, madeira e placas de PVC provenientes de tubos reciclados são os principais exemplos.
Palavras-chave: Robô. Esportes. Lançamento oblíquo. Basquete.
O surgimento, cada vez mais rápido, de novas tecnologias, bem como sua maior disponibilidade e consequente redução de custos, levaram as empresas ligadas ao esporte a utilizar, mais e mais, essas ferramentas, no intuito de conseguirem melhores resultados. Muitos clubes e equipes fazem uso de ferramentas computacionais, máquinas e acessórios para monitorar, avaliar, melhorar o desempenho e treinar seus atletas. Tudo isso auxiliado pela tecnologia de sensores, dispositivos mecânicos, eletrônicos e softwares associados. Como exemplo, para treinamento de goleiros de futebol, são encontradas no mercado, máquinas lançadoras de bolas que, através de programação ou atuação de um operador efetuam lançamentos de bolas a velocidades variadas e em diversas direções (Globus, 2017). Nesses lançamentos, podem ser inclusos efeitos para desvio de trajetória como o efeito Magnus. Esse efeito é consequência da rotação da bola (Aguiar, 2004). Encontram-se também, disponíveis no mercado, máquinas para treinamento de jogadores de basquete, as quais dispõem de aplicativos que fazem análises estatísticas, monitoram o atleta e seus lançamentos a cada passe efetuado pela máquina (Imagem 1). A proposta do robô lançador de bolas de basquete é que ele possa ser utilizado como essas máquinas citadas anteriormente. Além disso, despertar para a possibilidade de outras aplicações como: Inclusão de arremessos de bolas ao cesto nas competições de robótica; Ferramenta auxiliar no estudo e desenvolvimento da robótica; Estimular o estudo da física clássica, apresentando experiências com robô como atividades lúdicas;
Imagem 1 - Lançadora de bolas de basquete
Fonte - Shooting-A-Way
Imagem 2 - Sistema Hawk-Eye
Fonte - Lptennis
Outra tecnologia, desta vez buscando a melhoria de desempenho, é aquela que estuda determinadas características em animais e tenta imitá-las. Daí o nome biomimética. Assim, com estudos de aerodinâmica, dinâmica dos fluidos e tecnologia dos materiais, busca-se desenvolver condições de imitar certas características de animais, aplicando os resultados na produção de materiais e acessórios para a prática de esportes. Como exemplo, a dinâmica dos fluidos e a tecnologia dos materiais, são utilizadas para imitar a pele do tubarão nas roupas para natação. Já a capacidade de aderência às superfícies, inerente às lagartixas, inspirou a criação de tênis especiais para escalada (Katchborian, 2016).
2.3 MATERIAIS REATIVOS
Os acessórios esportivos como raquetes, calçados e protetores, disponíveis atualmente, recebem uma contribuição bastante significativa da "Tecnologia dos Materiais". À medida que materiais com características especiais são criados, buscam-se novas aplicações para eles. Após a fibra de carbono, muito utilizada por sua leveza e resistência mecânica (raquetes de tênis e componentes automotivos), surgem os materiais reativos. Existem materiais que reagem a impactos, modificando a sua dureza, rapidamente, ao sofrer um impacto. Assim, podem ser usados na confecção de acessórios de proteção contra lesões (Katchborian, 2016).
O aprimoramento da destreza e habilidades de um atleta pressupõe a repetição de movimentos para obter o devido condicionamento físico. Quando o objetivo é melhorar os índices de acerto em um lance específico, também é necessário repetir exaustivamente determinados movimentos. É muito comum, nas equipes de diferentes modalidades, o treinamento com repetições de lances como chutes ao gol, no futebol, lances livres, no basquete, levantamento de bola para o ataque, no vôlei e assim por diante. Se o objetivo desse treinamento é aprimorar a destreza do atleta no lançamento da bola, então não há outra opção se não executar ele mesmo essa tarefa. No entanto, há casos em que o objetivo é treinar a defesa no gol, na recepção no tênis ou vôlei ou ainda no ataque ao finalizar a jogada, o uso de atletas para lançar ou chutar pode ser substituído por máquinas. A precisão e a capacidade de repetição de movimentos apresentadas pelos robôs, tornam a robótica uma tecnologia muito importante no apoio ao treinamento de atletas em diversos esportes. Diversas máquinas, existentes no mercado, são utilizadas para executar repetidos lançamentos de bolas com o objetivo de treinar goleiros, jogadores de tênis (Imagem 3), de vôlei e de basquete. Um bom exemplo dessas máquinas é o TrainerBot (Imagem 4). Esse robô é utilizado para auxiliar atletas no treinamento de tênis de mesa.
Imagem 3 - Lançadora de bolas de tênis
Fonte - wiseball (^) Fonte - Kickstarter
Imagem 4 - Robô lançador de bolas de Ping-Pong
Como experimento ou demonstração de equipamentos, encontram-se também alguns projetos de robôs ou máquinas destinados ao lançamento de bolas ao cesto. Braços robóticos podem ser programados para executar arremessos de precisão (Basketball, 2011).
A diversidade de máquinas, destinadas a lançar bolas, disponíveis no mercado, motivou a elaboração deste trabalho. As disciplinas de robótica, microcontroladores e CLP (Controladores Lógicos Programáveis) formaram a base de conhecimento para buscar soluções de automação que possam transformar esses lançadores em robôs autônomos. O desenvolvimento do robô para arremessar bolas de basquete iniciou pelo estudo da física envolvida em lançamentos oblíquos. Posteriormente, veio a seleção dos mecanismos e controles eletrônicos para executar arremessos, seguida de uma plataforma móvel para servir como base do robô.
4.1 DESENVOLVIMENTO DO MODELO
Nesta seção, são apresentadas opções para cada funcionalidade do robô. Em seguida, um conjunto delas é selecionado para compor o modelo proposto do robô lançador de bolas.
4.1.1 A Física do lançamento
O desenvolvimento da principal função a ser desempenhada pelo robô, o arremesso de bolas, tomou como base princípios da física clássica e o estabelecimento de algumas premissas que definem as condições de contorno do problema de lançamentos oblíquos. Leis e princípios físicos: Lei da gravitação universal - no estudo da queda livre; Princípio da conservação de energia - no estudo da transferência e transformação de energia cinética e potencial para prover o movimento da bola; Premissas: São conhecidos: a massa e dimensões da bola, as dimensões e posições relativas do aro (cesta) e ponto de lançamento da bola e, conhecida ou estimada a aceleração da gravidade local; A rotação da bola deve ser mínima para evitar o “Efeito Magnus”;
Figura 1 - Cenário do lançamento
Fonte - O autor
Quanto ao ângulo de lançamento, alguns autores estudam a possibilidade de encontrar o melhor ângulo possível. Conforme Cruz-Garza (2014), valores entre 51 e 52 graus seriam o ideal para esse ângulo. Como a trajetória ideal é simétrica ao seu eixo vertical e, normalmente, as ordenadas do ponto de lançamento e da cesta têm valores próximos, pode-se concluir que os ângulos de lançamento e o de aproximação também são. Tomando a equação genérica de uma parábola: y , é possível chegar à equação que descreve a trajetória do lançamento oblíquo, utilizando os três pontos definidos no diagrama acima. Para tanto, basta substituir as coordenadas desses pontos na equação genérica, criando um sistema de três equações lineares, cuja solução determina os três coeficientes da equação da trajetória, conforme abaixo:
Para P1= (0, y1) y => y1 = c (1) Para P2= (d-Ra, h+Rb) h+Rb (2) Para P3= (d, h) h. (3) Onde d é a distância até a cesta, h a altura da cesta e y1 a altura do ponto de lançamento. Com equação (1), verifica-se que c = y1. Ou seja, a altura do ponto de lançamento. Resta um sistema de duas equações para determinar os parâmetros a e b. Observa-se que, P2= (d-Ra, h+Rb) está sendo arbitrado no limite (ângulo mínimo de aproximação). Na prática, deve ser considerada uma tolerância. Exemplo: Seja a execução de um lançamento segundo os dados (em metros) abaixo:
