Caracterização das não linearidades de uma transmissão mecânica do tipo fuso: estudo de caso estufa agrícola robotizada

Abstract

As estufas agrícolas são estruturas utilizadas para a proteção de diversas culturas agrícolas, pois permitem o controle de variáveis ambientais como umidade e calor, fornecem proteção contra o vento, excesso de chuva, pragas e permitem um melhor aproveitamento de recursos como o solo, água e agroquímicos. Sua estrutura física oferece uma oportunidade ideal para a automação de tarefas agrícolas como os tratos culturais e a colheita. A implementação de soluções de baixo custo, como os sistemas de transmissão mecânica do tipo fuso-castanha sem esferas recirculantes, é uma opção para a montagem de robôs agrícolas, como o tipo Gantry, adaptáveis às condições estruturais das estufas. Este sistema de acionamento, comumente utilizado em fresadoras e impressoras 3D, dentre outras aplicações, embora vantajoso pela robustez em ambientes com alta concentração de poeira e uma baixa necessidade de manutenção, requisitos na agricultura familiar, introduz não linearidades complexas como o atrito e a folga mecânica, comprometendo a precisão. O objetivo deste trabalho abrange o desenvolvimento do modelo matemático do sistema de transmissão mecânica incluindo as características não lineares de atrito e da folga. Além disto, abrange a adequação do protótipo com o mecanismo de autoalinhamento, e a implementação de um microcontrolador de baixo custo para o controle de posição. A metodologia de projeto de máquinas inteligentes, utilizada neste trabalho, desenvolve a modelagem matemática do sistema dinâmico e obtém uma estimativa dos parâmetros do sistema, com base em testes experimentais. A modelagem matemática permite a análise das não linearidades por meio de modelos estabelecidos, como o modelo LuGre para o atrito, e o de histerese para a folga. A identificação dos parâmetros dessas não linearidades foi realizada por meio de experimentos no protótipo físico, e a fidelidade da representação matemática foi comprovada por meio de simulações computacionais de trajetórias, demonstrando que o modelo dinâmico reproduz o movimento do sistema físico. Os resultados ilustram e validam a estratégia adotada para viabilizar o uso de componentes de baixo custo em aplicações agrícolas de precisão, fornecendo a base para o desenvolvimento de futuros sistemas de controle compensatórios a partir da caracterização das não linearidades.

Abstract: Agricultural greenhouses are structures used for the protection of various crops, as they allow the control of environmental variables such as humidity and temperature, provide protection against wind, excessive rain, and pests, and enable better utilization of resources such as soil, water, and agrochemicals. Their physical structure offers an ideal opportunity for automating agricultural tasks such as crop management and harvesting. The implementation of low-cost solutions, such as mechanical transmission systems of the screw?nut type without recirculating balls, is an option for assembling agricultural robots, such as the Gantry type, adaptable to the structural conditions of greenhouses. This drive system, commonly used in milling machines and 3D printers, among other applications, though advantageous for its robustness in environments with high dust concentrations and its low maintenance requirements? both essential factors in small-scale farming?introduces complex nonlinearities such as friction and mechanical backlash, compromising precision. The objective of this work includes the development of the mathematical model of the mechanical transmission system, incorporating the nonlinear characteristics of friction and backlash. In addition, it involves adapting the prototype with a self-aligning mechanism and implementing a low-cost microcontroller for position control. The intelligent machine design methodology used in this work develops the mathematical modeling of the dynamic system and obtains an estimate of the system parameters based on experimental tests. The mathematical modeling enables the analysis of nonlinearities through established models such as the LuGre friction model and the hysteresis model for backlash. The identification of the parameters of these nonlinearities was carried out through experiments on the physical prototype, and the fidelity of the mathematical representation was verified through computational trajectory simulations, demonstrating that the dynamic model reproduces the motion of the physical system. The results illustrate and validate the adopted strategy to enable the use of low-cost components in precision agricultural applications, providing the foundation for the development of future compensatory control systems based on the characterization of nonlinearities.