# Relatório de Projeto Mecânico
Recomenda-se a leitura da introdução do projeto que se encontra [nesta página](https://gitlab.com/MinervaBots/minervabots/ps/processo-seletivo-2021.1/entregas/etapa-2/grupo-2/wiki/-/wikis/home).

[[_TOC_]]

## Componentes mecânicos:
- Chassi, parte superior do mesmo e apoios: feitos em UHMW;
- Arma ativa (*drum*): feita em Aço 4043;
- Rodas: [Pneu NEO 40mm](https://www.robocore.net/roda/pneu-neo-40mm);
- Motores para locomoção: [2,737 RPM Premium Planetary Gear Motor](https://www.servocity.com/2-737-rpm-premium-planetary-gear-motor/);
- Motor para arma: [Turnigy XK2040-4500KV Brushless Inrunner](https://hobbyking.com/pt_pt/turnigy-xk2040-4500kv-brushless-inrunner.html?queryID=cb1218dd32f70fc933e759675e2ca081&objectID=40562&indexName=hbk_live_magento_pt_pt_products);
- Eixo: barra de Alumínio 6351-T6;
- Polias: feitas em Alumínio 6061-T6.
- Fixador para os motores: feitos em ABS

## Dimensionamento dos motores
No que tange os motores para locomoção e visando um robô competitivo, o projeto precisava que o robô alcançasse sua velocidade linear máxima em pouco tempo para evitar o efeito de esmerilhamento ativa. Entretanto, embora o valor da velocidade encontrada tenha sido satisfatório, o tempo para alcançá-la é inábil no que tange o objetivo. Em outras palavras, há a possibilidade de ocorrer o esmerilhamento. Os cálculos desse motor podem ser encontrados [aqui](https://gitlab.com/MinervaBots/minervabots/ps/processo-seletivo-2021.1/entregas/etapa-2/grupo-2/mecanica/modelagem/-/wikis/Dimensionamento-do-motor-para-a-arma).
Já o motor para arma precisava fazer com que a arma atingisse uma velocidade angular relativamente alta em um tempo não tão rápido, afim de evitar o efeito de esmerilhamento. Os valores encontrados estão de acordo com o esperado pela dupla de mecânicos. Os cáculos realizados se encontram [nesta págia](https://gitlab.com/MinervaBots/minervabots/ps/processo-seletivo-2021.1/entregas/etapa-2/grupo-2/mecanica/modelagem/-/wikis/Dimensionamento-do-motor-para-a-arma).
A bateria calculada pela parte eletrônica do projeto possui uma tensão de 11.1V, entrando em conflito com a tensão do motor para locomoção, que é de 12V. Isso significa que o motor não atingirá sua velocidade máxima, sendo mais um fato que acarretaria em um possível efeito de esmerilhamento.

## Escolha dos materiais e processos de fabricação
### **Chassi**:
Para o chassi foi escolhido o UHMW, devido a boa relação entre massa específica e resistência mecânica que ele apresenta, tendo em mente a massa máxima de 1,36 kg permitida na categoria. O UHMW oferece uma boa resistência a impactos e é um ótimo dissipador de forças na forma de deformação plástica, protegendo as partes internas do robô de forças e impactos causados pela arma do inimigo.
O processo de fabricação escolhido para o mesmo foi a fresagem, pois esta apresenta um resultado mais preciso dos suportes que modelamos para o acoplamento de peças internas. Tal processo também permite a confecção de uma peça inteira que compõe a parte inferior, as paredes e o suporte para a arma, sendo apenas necessário fixar uma chapa, também de UHMW, na parte superior.
O processo de fresagem também entregou guias para os parafusos, localizadas no centro de cada vértice e com um formato circular, para possibilitar o uso de parafusos maiores e melhorar a fixação.
<img src="https://i.ibb.co/YZM5w69/chassi.png"
width="500" lenght="500">

### **Chapa superior**:
A chapa superior será, assim como o chassi, de UHMW pelos mesmos motivos justificados anteriormente. Além disso, ela proporcionaria uma fácil troca em caso de quebra, sendo um material com um bom preço em comparação ao alumínio e aço, por exemplo, e uma massa específica consideravelmente menor.
A fixação dá-se de forma simples e rápida: seriam necessários apenas 4 parafusos e porcas para segurar a chapa e o chassi juntos, necessitando de uma força de aperto substancial visando a melhor fixação e rigidez possível do conjunto.
A chapa será gabaritada (por meio de lápis ou qualquer tipo de marcador conveniente), a partir de um bloco comprado com dimensões (10x500x500 mm), no formato do chassi e seria cortada por nos mesmos, adquirindo o tamanho desejado. Feito isso, os cantos seriam lixados e/ou cortados para que não apresentasse nenhum tipo de concentrador de tensão.
<img src="https://i.ibb.co/kSQ5ydb/chapa-superior.png"
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### **Drum**:
Foi escolhido para a arma ativa o Aço 4340 por ser um aço de alta dureza em comparação a aços mais macios como 1020 e 1080, essa dureza seria aproveitada na forma de transferência da força de rotação da arma em dano no oponente que desejamos atacar. Também é válido pontuar que, quanto maior a dureza, menor é a força absorvida pela própria arma, na reação de força que ela recebe em forma de deformação elástica e/ou plástica.
Ademais, o fato do tambor ser mais duro e resistente mecanicamente significa que possíveis impactos contra a arma do oponente e/ou com a arena não danificariam tanto a arma e ofereceram uma proteção maior na parte frontal do robô.
Optou-se por fabricar a arma por fresagem, já que é o meio mais preciso de obter a peça no formato desejado, sendo esse o de 3 dentes alternados, dois menores (iguais) nos cantos e um maior no centro. A peça foi filetada em todos os cantos que concentrariam tensões para evitar possíveis pontos concentradores de tensão na arma, e um furo passante foi feito no meio para que o eixo pudesse ser encaixado.
<img src="https://i.ibb.co/Xz0ZZYV/drum.png"
width="500" lenght="500">

### **Eixo**:
O material escolhido para o eixo da arma foi o Alumínio 6351-T6 justamente por este apresentar satisfatória resistência mecânica e uma baixa massa específica quando comparado a outros metais. Essa resistência mecânica é necessária para sustentar a dissipação de forças oriunda da arma quando a mesma sofrer um impacto.
A equipe optou por comprar uma barra maciça desse material e torneá-la na sala da MinervaBots para atingir a dimensão desejada.
<img src="https://i.ibb.co/McDjJ5T/eixo.png"
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### **Polias**:
O material escolhido para as polias foi o alumínio 6061, em grande parte devido ao mesmo ser bem menos pesado que os aços em geral e ainda sim manter uma resistência mecânica aceitável, visto que uma dessas polias estará fixada na parede de apoio da arma e acoplada no eixo dela. Uma outra motivação é a da fácil usinabilidade deste material e o preço mais baixo em comparação ao aço.
As polias, por apresentarem dimensões não padronizadas, foram feitas por torneamento de forma a se adequarem ao projeto.

1. *Polia de acoplamento com a arma*: Esta terá o diâmetro de 16mm, um furo de 10mm para o eixo da arma e em um dos lados terá um suporte para furação, visando a fixação por parafusos na arma.

2. *Polia ligada ao eixo do motor*: Esta será ligada diretamente ao eixo do motor e terá um diâmetro de 8mm.

**A seguir a foto de ambas as polias com a correia já encaixada:**


### **Rodas e hubs**:
Para as rodas foi escolhido o neoprene expandido. A escolha deu-se, em maior parte, considerando seu baixo peso quando comparado a rodas de borracha com núcleos plásticos.
O material dos [hubs](https://www.robocore.net/item-mecanico/hub-para-roda-neo-eixo-de-4mm) escolhidos foi o alumínio, visando o menor peso em comparação a materiais como o latão e o aço e o fato de mesmo sendo mais leve ainda possuir uma resistência mecânica que consideramos aceitável.
Na roda, os mecânicos optaram por usar um método aprendido em vídeo sobre [como aumentar a tração nas rodas](https://www.youtube.com/watch?v=M2dHKfS5BSw), do Youtuber e engenheiro Robert Cowan para aumentar o atrito com a arena e assim aumentar a força do nosso robô. Esse método consiste em primeiramente passar na superfície de contato da roda com o chão uma camada de cimento de borracha (*rubber cement*), para melhor fixação do composto que aplicamos a seguir. Em seguida, é passado algumas camadas de látex líquido até obtermos uma camada considerada substancial e que não saia com facilidade.
<img src="https://i.ibb.co/1mGX5Ss/rodas-hub.png"
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### **Apoios**:
Para evitar que o tambor encostasse no chão, a equipe optou por colocar apoios de UHMW. Escolheu-se esse material por sua resistência, já que o mesmo poderá ficar arrastando no chão.
A obtenção do formato deu-se a partir da sobra da peça usada para criar a chapa superior. Assim como na chapa, a moldagem dos apoios deu-se por cortes e furos com o auxílio de um gabarito.
<img src="https://i.ibb.co/SXtF7Hh/apoios.png"
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## Decisões de modelagem

Neste tópico só serão abordadas peças individuais. A visualizações de como parece a montagem levando em consideração as decisões finais está em [resultado final](https://gitlab.com/MinervaBots/minervabots/ps/processo-seletivo-2021.1/entregas/etapa-2/grupo-2/wiki/-/wikis/Relat%C3%B3rio-de-Projeto-Mec%C3%A2nico-Grupo-2#resultado-final).

### Chassi

Primeiro foram pensadas as dimensões desejadas, chegando nessa conclusão passou-se para coisas mais obvias como os cortes por onde passariam a roda e como uma chapa superior poderia ser fixada. Para comportar um furo maior optou-se por fazer ressaltos cilíndricos em cada vértice do chassi com furos passantes nos seus respectivos centros.
Em seguida, e com o tamanho da roda dimensionado foi pensado o tamanho de corte mínimo para que a roda pudesse passar e não sofrer qualquer tipo de interferência vinda do chassi.
Então surgiu a questão de como fixar a arma, sendo a arma escolhida o Drum, teve-se a ideia de fazer dois braços de apoio para que a arma pudesse ficar centralizada e conseguisse cobrir quase toda parte frontal do robô. Estes braços foram pensados para aumentar o alcance dar arma e tem o perfil circular nas extremidades.
Levando em consideração a fixação, surgiu a questão de como fixar os motores (tanto os de locomoção quanto o da arma) e a ideia era a de fazer "berços" para que os motores pudessem repousar sobre eles. Tais berços teriam um formato do mesmo raio do motores fazendo os mesmo ficarem com metade do seu raio para dentro do berço e deixando um encaixe perfeito dentro das possibilidades.
Também foram feitos os furos necessários para demais componentes, como PBC, sensores, outros componentes eletrônicos e um rasgo na parte frontal para que a correia das polias pudesse entrar e sair facilmente.
Vale ressaltar que quaisquer cantos vivos foram arredondados para minimizar concentradores de tensão.


### Arma

Após o processo de tomada de decisões, foi escolhido o Drum como arma do projeto. Levando em consideração questões como massa, comprimento que a arma deveria ter para proteger toda parte frontal e numero de dentes chegamos na ideia de como seria nossa arma.
Optou-se por um drum de 3 dentes intercalados, sendo um no meio e em cima e outros dois menores em baixo e nos cantos. Para a modelagem foi feito um cilindro nas dimensões desejadas, em seguida um furo para o tamanho de eixo desejado e depois o ressalto e corte dos dentes no tamanho ideal para o projeto.
Vale ressaltar que quaisquer cantos vivos foram arredondados para minimizar concentradores de tensão.

### Fixadores de motor
Foi constatado que apenas o berço não seria suficiente para que os motores ficassem fixados então foi pensado um fixador que fornecesse um encaixe satisfatório na parte superior do motor e que trabalhasse em conjunto com o berço mencionado.
Dessa forma foi feito um fixador que tivesse a altura desejada para vir por cima dos motores, a largura necessária para poder encostar nas paredes dos berços e um pequeno entalhe que ficaria apoiado na parte superior das paredes dos berços com a mesma espessura que elas. Tal fixador tem um arco com o raio do motor, dessa forma da metade para baixo o motor ficaria no berço e da metade para cima seria abraçado pelo arco.
É importante pontuar que foram feitos 3, dois iguais para os motores de locomoção e um diferentes medidas mas mesmo perfil para o motor da arma.
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### Apoios frontais
No que tange os apoios foram feitos pequenos blocos com furos que poderiam ser posicionados na parte frontal inferior e superior em ambos os lados para que o robô não penda para frente e consequentemente a arma bata no chão.
Os furos foram feitos para que um parafuso passante junto com uma rosca prenda os dois blocos de cada lado juntos.

### Tampa do chassi
Com a parte inferior do chassi dimensionada a construção da parte superior foi composta de alguns passos, como: seguir as medidas do chassi de forma que nada ficasse aberto, alinhar os furos de fixação do chassi com a tampa, fazer os cortes para que as rodas pudessem sair pela tampa (visando o básico de reversibilidade) e os furos onde os sensores deveriam ficar para terem uma visão de fora.
Tal como em outras peças todos os cantos vivos foram tirados para que não houvessem concentradores de tensão.

### Polias

As considerações iniciais das polias foram feitas com base na redução que desejada e com esse valor em mãos foram definidos os tamanhos delas, sendo a redução de 2:1 e os tamanhos 8mm e 16mm. Após esta decisão procurou-se o perfil de correia que seria usado e chegou-se a decisão de usar uma correia com perfil em V.

*Polia do eixo do motor*: Esta polia tem o formato comumente usado, apenas sendo feita nas dimensões que eram necessitadas.

*Polia acoplada na arma*: Esta polia foi feita em um formato menos convencional, sendo em uma parte uma polia comum mas em contra partida na sua parte direita ela carrega uma parede circular com 4 furos para ser fixada na arma.

### Correia.

A correia foi feita usando a própria função do Solidworks e foi criada uma peça para que pudesse ser feito o perfil em V que ela carrega.

## Montagem e integração com eletrônica
O primeiro passo é colocar o chassi em uma superfície lisa, recomenda-se uma bancada, para realização da montagem. Dentro do chassi, há certos "berços" para acoplagem dos motores. O ideal é colocar os motores para locomoção nos berços já montados com os *hubs* e as rodas para, então, posicionar os fixadores dos motores, aparafusá-los e rosqueá-los na parte inferior em seguida. O espaço entre os motores para locomoção foi dimensionado pensando nos fios que por ali passarão.
Atrás dos berços para os motores e encostada na parte traseira, ficará a bateria. A equipe optou por fixá-la ao chassi usando [velcro adesivo](https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1828241398-velcro-original-50mm-branco-com-adesivo-forca-industrial-_JM#position=7&type=item&tracking_id=aaa049d9-eb5f-4544-9c3b-ee9d4f09b2ae) tanto na parte traseira, quanto na parte inferior. O espaço foi escolhido justamente por se adequar ao tamanho da bateria. Os fios da bateria passariam por cima do motor para locomoção direito e seriam ligados à placa PCB.
Depois, será colocado o motor da arma em seu berço, o eixo do motor (2mm) será trocado por um maior de 3mm na parte externa do motor e mantendo os 2mm na parte interna (feito por torneamento) e será levemente lixado para que um anel de fixação possa ser preso a ele visando que a polia não translade no eixo axial. Além isso, a polia apresenta um furo rosqueado que permite o encaixe de um parafuso prisioneiro. Assim, é necessário que, após a colocação do motor no berço, entre a polia no eixo e o parafuso prisioneiro no buraco afim de garantir uma transmissão limpa de movimento entre o eixo e a polia
Seguido deste encaixe, deverá ser preso o fixador do motor da arma, aparafusado com os parafusos e rosqueadas com porcas embaixo para melhor fixação e por fim colocada a polia menor que deverá ser conectada no eixo do motor.
Em seguida, o próximo componente a ser fixado seria o receptor do controle usado no modo radiocontrolado e ele habitaria entre o motor esquerdo para locomoção e o motor para arma. Ele deve ser fixado com o velcro adesivo na parte inferior. O posicionamento dele foi pensado justamente para que o mesmo possa ser ligado a placa de forma simples e seus fios deverão passar no caminho aberto deixado do seu lado direito diretamente para PCB.
Após isso, recomenda-se prender a PCB no local designado a ela, com os furos já indicados no canto inferior direito do chassi. A PCB será presa por 4 parafusos M2 no local designado
Logo após, deverão ser devidamente posicionados e colados os sensores nos furos marcados no chassi para que ele possam ter visão do lado de fora, para que em seguida possam ser passadas, presas e ligadas todas as fiações nos componentes necessários. A fixação dos sensores será feita com fita isolante.

#### **Fixação da arma e sistema de transmissão**

Tendo feito os passos recém mencionados, pode-se começar a fixação da arma. O ideal é primeiro parafusar a polia maior no lado esquerdo da arma, alinhando os furos na lateral esquerda da arma com os da polia, para boa fixação. Seguidamente, deve-se passar o eixo por dentro do furo, neste caso usaremos o braço de apoio direito no sentido de fora para dentro de forma que fique apenas um pequeno comprimento passante e para que possam ser encaixados os componentes na ordem desejada. Conforme forem colocados os componentes mais será empurrado o eixo para dentro (eventualmente chegando ao furo do outro braço de apoio da arma). Os componentes são encaixados na ordem a seguir.

Primeiro, e com apenas este pequeno comprimento do eixo para dentro, será colocado um dos colares fixadores, em seguida o conjunto arma-polia e por fim um outro colar fixador. Com isso deve-se posicionar as extremidades do eixo de forma que fique coincidente com as faces externas tanto do lado direito quanto do esquerdo.

Agora deverá ser observado que temos dois colares de eixo, um imediatamente a esquerda do conjunto arma-polia e um imediatamente a direita, estes deverão ser faceados com as paredes internas (esquerda e direita) e apertados usando os parafusos já incluídos. Dessa forma deve-se conseguir uma fixação em que o eixo não possa se mexer para nenhum dos lados e dessa forma não poderá sair ou ser empurrado pelos buracos nos braços de apoio da arma.

Nota-se que o conjunto arma-polia ainda estaria livre para transladar pelo eixo dessa forma, então serão adicionados dois anéis elásticos em ambos os lados do conjunto para evitar que isso aconteça, e, esses devem ser apertados apenas após que o conjunto tenha sido completamente posicionado, de forma que fique alinhado com o corte feito na parte frontal do chassi (para passagem da correia) e a polia menor, que como anteriormente foi mencionado, estará presa no eixo do motor da arma.

#### *Posicionamento e fixação da tampa do chassi*

Com todos os passos anteriores realizados a parte de montagem interna do robô estaria toda completa, então para fechar o chassi seria apenas necessário alinhar os furos da tampa com os furos da parede do chassi, apontar os parafusos e rosquear as porcas.

Obs.: Os parafusos de fixação do chassi com a tampa seriam parafusos Allen, pois são melhores e mais fáceis de apertar e retirar, devido a ferramenta estar bem mais presa no encaixe do parafuso e deverão estar consideravelmente apertados.

#### *Fixar os Apoios na parte frontal*

Deverão ser fixados 4 apoios no total, um em cima e um em baixo do braço de apoio esquerdo e a mesma coisa no braço de apoio direito.

Estes devem ser posicionados em pares de acordo com os furos dos braços e serão apontados parafusos passantes por cada par e em seguida serão rosqueados do outro lado com um bom aperto. Estes apoios visam que o chassi não penda para frente e assim a arma bata diretamente no chão tanto de cabeça para cima como de cabeça para baixo.

Ademais, os parafusos demonstrados na imagem do *Solidworks* abaixo (resultado final) se encontram maiores do que o necessário. Para evitar que estes fiquem raspando na arena no momento em que o robô esteja de cabeça para baixo, a equipe irá cortar e limar esses parafusos no tamanho adequado.

#### *Referente a manutenção:*

A manutenção poderá ser feita de forma rápida seguindo o caminho inverso da montagem que foi comentada aqui, precisando apenas desparafusar os colares fixadores e os anéis fixadores. Com isto feito, será apenas uma tarefa de desconectar a correia em empurrar o eixo para que libere a saída do conjunto da arma.

#### Resultado final

## Orçamento
Todo o orçamento do projeto mecânico pode ser encontrado [nesta planilha](https://docs.google.com/spreadsheets/d/1_lBhV_lPyAnOzgNN-SsQsoOfVFrkicWI4yj61vLXSes/edit#gid=152492817) feita com o auxílio do *Google Sheets*. As peças extas compradas para a ocorrência de eventuais danos também se encontram na planilha. Os motores foram trazidos do exterior pelo o avô de um dos membros da equipe, que mora em Tampa, na Floria, por isso o valor do frete foi calculado com base no código postal dele. Essas duas compras internacionais foram feitas considerando o valor do dólar turismo na cidade do Rio de Janeiro no dia 23/03, R$5,71.

## Considerações finais
O projeto possui alguns pontos que poderiam ser melhorados e, por questões de tempo e/ou limitações de conhecimento, não foram otimizados. Entretanto, a equipe gostaria de reconhecê-los:
A massa final do robô é de 1,246 kg, o que dá a equipe ainda 113,49g para trabalhar. Mudanças com essa massa ociosa poderiam ter sido feitas, como por exemplo colocar um eixo de Aço 1020 e não de Alumínio 6351-T6. Entretanto, nos cálculos de massa não foram considerados massas de elementos como fios, buchas, e o velcro usado para fixação e, caso o fossem, deixaria a equipe com uma massa muito próxima do limite (1,36kg). Ainda sim, é válido pontuar que com mais tempo e/ou conhecimento técnico advindo de um planejamento mais otimizado poderia resultar em um projeto mais preciso e competitivo. Com isso em mente, foi decidido que o risco de desclassificação por excesso de massa não valeria a barra de Aço.
A dupla entende que a fixação dos sensores com fita isolante está longe de ser a mais efetiva considerando os impactos que o robô irá sofrer, entretanto esse método foi escolhido levante em conta a agilidade necessária na hora da manutenção, já que terão sensores fixados na tampa.
Por fim, o robô consegue se locomover tanto de "cabeça para baixo", quanto de "cabeça para cima", porém sua eficiência cai drasticamente quando o mesmo se encontra de ponta cabeça.