Modelação e Simulação Cinemática de Brinquedos Mecânicos

- uma ferramenta de ensino-aprendizagem -

Pedro Vasconcelos ESTG do Instituto Politécnico Viana do Castelo (IPVC)

Materials Science Research & Development Center (UIDM) of IPVC

Viana do Castelo, Portugal pedro.vasco@estg.ipvc.pt

Jorge Lino Alves INEGI, Faculdade de Engenharia

Universidade do Porto Porto, Portugal falves@fe.up.pt

Resumo— Os brinquedos mecânicos constituem uma forma privilegiada de introduzir conceitos de engenharia, arte e design, através da combinação do jogo com a tecnologia.

As experiências projetuais na área dos brinquedos mecânicos, que os estudantes realizaram no âmbito de um curso de mestrado em Design Integrado, tiveram como principal objetivo sensibilizá-los para os conceitos básicos de comportamento dos mecanismos, e verificar o poder combinado de modelação 3D e análise de mecanismos nos processos de concepção. Resultaram propostas que demonstraram o interesse educativo e formativo do software de modelação e a contribuição deste para promover a criatividade em projetos de brinquedos.

Palavras-chave—brinquedos mecânicos, mecanismos, modelação paramétrica, simulação cinemática, prototipagem

I. INTRODUÇÃO - BRINQUEDO MECÂNICO

Esta comunicação foi criada a partir de uma experiência projetual com brinquedos mecânicos, realizada no âmbito do Mestrado em Design Integrado (MDI) [1], e apresentada no Seminário “Brinquedo Tradição Inovação”, realizado na Escola Superior de Tecnologia e Gestão (ESTG) do Instituto Politécnico de Viana do Castelo (IPVC) [2].

Os brinquedos mecânicos fazem parte da cultura humana há já alguns milhares de anos, acompanhando o aparecimento dos primeiros dispositivos mecânicos criados pelo homem. As primeiras civilizações surgiram na Mesopotâmia há 3500 a.C. A roda, elemento básico das máquinas atuais, parece ter surgido nessa época, primeiro na forma de roda de oleiro, sendo um pouco mais tarde aplicada nos transportes. Surgem assim brinquedos de animais apoiados em 4 rodas e carroças puxadas por bois [3]. Na civilização egípcia são conhecidas as marionetas com pernas e braços articulados, 2000 a.C., e muitos brinquedos em madeira com rodas, como crocodilos e gatos com a boca articulada [4]. O leão, com sistemas de mola e mecanismos, realizado por Leonardo da Vinci e oferecido a Luís XII [5], é já um exemplo de brinquedo mecânico com uma sofisticação próxima da atual.

A industrialização do brinquedo chega a Portugal nos inícios do século XX, com a utilização de materiais comuns como o barro, madeira, pasta de papel, chumbo e folha-de-flandres [6]. Naturalmente apresentam características que estão relacionados com as condições culturais, económicas e sociais da época, sendo confecionados por artesãos, marceneiros, ferreiros e oleiros.

Tendo como base as definições de cadeia cinemática, mecanismo e máquina usadas em engenharia [7], poder-se-á afirmar que o brinquedo mecânico é um brinquedo caracterizado por conter órgãos mecânicos e mecanismos que proporcionam determinados ações, em resposta a movimentos de entrada ou condições iniciais específicas (naturalmente transmitindo forças e trabalho, numa escala proporcional à sua natureza de brinquedo). Para além do acionamento manual, existem os acionamentos por corda, por volante e elétrico que são os mais comuns.

Acompanhando o prognóstico de que o século XXI será a “Era dos Robôs”, muitos fabricantes estão atualmente a desenvolver novas linhas de brinquedos mecânicos equipados com dispositivos oriundos da mecatrónica e da robótica [8] como, por exemplo, a Lego (www.lego.com), a Meccano (www.meccano.com), a Innovation First International (www.innovationfirst.com), etc.

Nesta onda de inovação, será de destacar um grupo de brinquedos que utilizam o desequilíbrio dinâmico de um disco excêntrico em rotação para o seu acionamento, como por exemplo, os brinquedos criados pelo designer Chico Bicalho, para a colecção Critter [9], baseados num sistema de corda e excêntrico (finais do séc. XX). Mais recentemente, a partir de 2007, a empresa Innovation First International [10] (USA), lançou uma linha de brinquedos Hexbug Micro Robotic Creatures [8], com muito sucesso. Nessa linha, o Nano, criado em 2009, é um pequeno insecto (bug) que se movimenta pela vibração provocada por um disco excêntrico, accionado por um motor elétrico (ver Fig. 1). Para este brinquedo, de tipo colecionável, foram lançadas várias séries de montagens de habitat para os nanos percorrerem, tendo ganho o 2011 Award Toy Talk, prémio Best Construction Toy.

II. CONTEXTUALIZAÇÃO DA EXPERIÊNCIA PROJETUAL

A ideia surgiu pela constatação dos estudantes terem dificuldade em se familiarizar com conceitos de física e engenharia. Esta experiência projetual pretende motivar os estudantes para estes conceitos que devem ter presentes quando desenvolvem projetos na área de design. Os brinquedos são, em geral, réplicas miniaturizadas dos produtos que o homem cria, onde os estudantes têm mais liberdade de expressar a sua criatividade. Com eles a aprendizagem científica é facilitada, pois mistura-se com jogo. Para além destes aspetos, a utilização da simulação e prototipagem virtual constitui uma metodologia de projeto amplamente reconhecida na indústria [11], para desenvolvimento e otimização do produto antes da construção do primeiro protótipo físico (redução de tempo e custos).

(a) (b)

Fig. 1. (a) Spinney da coleção Critter (metálico e com um motor de corda - 1998); (b) Nano da coleção Hexbug Micro Robotic Creatures (em plástico e com um motor elétrico - 2009)

O trabalho foi realizado no módulo Produção da unidade curricular de Projeto Temático do 2º ano curricular do curso de mestrado em Design Integrado, que tem como objetivos desenvolver capacidades de modelação em CAD (Computer Aided Design), juntamente com ferramentas de verificação de geometria, interferências de montagem, e simulação de comportamento cinemático e dinâmico. Os programas paramétricos são o software ideal para se realizar directamente a prototipagem virtual e indiretamente a prototipagem física através da utilização de equipamentos de prototipagem assistidos por computador.

Os estudantes empenharam-se em desenvolver brinquedos com alguma complexidade, sobretudo ao nível cinemático, criando novos brinquedos ou fazendo redesign (morfologia e sistemas cinemáticos) de brinquedos já existentes no mercado. O tempo dedicado ao projeto repartiu-se pela pesquisa, estudos de montagem e cinemáticos, seleção e validação da proposta, modelação e simulação cinemática em CAD (prototipagem virtual).

Futuramente, pretende-se utilizar os ficheiros de CAD para realizar protótipos físicos. Até agora era muito difícil realizar a prototipagem física manual de determinados produtos, desenvolvidos no projeto, com precisão e bom acabamento. A aquisição recente de equipamentos aditivos e subtrativos assistidos por computador (baseados em software

de CAD utilizado na modelação, montagem e simulação) na ESTG vem permitir ultrapassar estas dificuldades.

Foi utilizado um software paramétrico para realizar a modelação e os modelos cinemáticos dos brinquedos. A complexidade dos brinquedos exigiu a compatibilização do design formal dos componentes com o design de funcionalidade dos mecanismos, combinando funcionalidade com estética, engenharia e prototipagem virtual.

Um dos requisitos do projeto foi o de se produzir brinquedos num material ecológico, a madeira, ou um material sintético equivalente. Outro requisito foi admitir a possibilidade de incorporação fácil de sistemas de motores mecânicos (corda ou volante) ou elétrico (pilhas). Este requisito existe, por exemplo, nos brinquedos mecânicos produzidos pela empresa Timberkits [12], do designer Eric Williamson, com acionamento manual, mas disponibilizando como extra um kit com motor elétrico.

Não se explorou exaustivamente a simplificação ou optimização do design, que seria desejável caso estes brinquedos entrassem num processo produtivo. Neste caso poderia admitir-se a possibilidade de construção modular e em kit, que acrescentaria valor educativo e formativo ao brinquedo, além de mais-valias no desenvolvimento do raciocínio, coordenação motora e concentração do utilizador.

O software de CAD paramétrico utilizado permitiu fazer a modelação das peças através da aplicação de cotas e relações geométricas paramétricas, registando todas as operações efetuadas. Tem uma estrutura editável e flexível, que permite fazer correções e alterações nas peças simulando o caráter iterativo do design.

Na modelação dos brinquedos foi utilizado uma aplicação de análise de mecanismos que consiste em 3 etapas [13]:

1 – Geração do modelo cinemático – que inclui motores, relações de montagem, cargas, molas, amortecedores, atrito, contacto e condições iniciais;

2 – Análise do movimento;

3 – Visualização dos resultados (ou pós processamento) – Animação e vídeo, relatórios e gráficos.

Numa primeira fase foram criados os componentes não mecânicos e os mecanismos num ficheiro multibody que, mais tarde, foi convertido num ficheiro de montagem com os componentes colocados em referências externas. No ficheiro de montagem introduzem-se as relações de montagem ou constrangimentos que vão condicionar o tipo de movimentos pretendido. No modelo virtual é possível realizar todo o trabalho de análise e síntese que garanta o correto funcionamento do modelo real. Através de um processo iterativo fazem-se todos os ajustamentos dimensionais, funcionais e estéticos necessários para obter um produto apelativo, bem acabado e funcional. Finalmente pode-se criar uma animação 3D do conjunto para controlo final que permite verificar a aparência visual, o funcionamento das partes móveis e do conjunto (incluindo os efeitos de

gravidade, inércia, contacto, atrito, etc.) e eventualmente fazer análises cinemáticas e dinâmicas. O software de simulação de movimento pode ser usado para estudar o deslocamento, velocidade, aceleração e as reações das forças/momentos agindo em cada componente. Ainda é possível realizar análise estrutural de componentes, pois as reações e forças atuando em cada componente podem ser exportadas para o analisador de tensões para estudar os seus efeitos (deformação e tensão) no componente. No caso presente, apenas se fez o estudo cinemático dos mecanismos do brinquedo, dado o âmbito mais restrito do mestrado em design integrado relativamente a um curso de engenharia.

Finalmente é possível realizar os protótipos reais com confiança, pois estes já foram testados virtualmente (Fabrico Rápido RM). A prototipagem pode ser assistida por computador, utilizando tecnologias subtrativas CAD-CAM (Computer Aided Manufacturing) ou aditivas AM (Additive Manufacturing, vulgarmente designadas por Prototipagem Rápida - RP), ou não, assistida com recurso às tecnologias tradicionais. A Fig. 2 mostra um organigrama das fases do processo.

Fig. 2. Organigrama do processo de design, simulação e prototipagem assistida por computador

Na Fig. 3 apresentam-se alguns exemplos de ferramentas complementares de análise e avaliação que podem ser usadas para estudar: interferências no conjunto; análise de curvaturas; saída do molde (se o processo de fabrico usar moldes). Estas ferramentas estão inseridas na área da CAE (Computer Aided Engineering), que se pode definir como um suporte do computador à engenharia, que reduz custos e minimiza o tempo de colocação dos produtos no mercado, contribuindo para o desenvolvimento da atividade de projeto.

Criado um brinquedo constituído por vários componentes, é possível facilmente desenvolver novos brinquedos a partir deste, alterando os componentes ou substituindo-os na totalidade. Na Fig. 4, o arlequim foi convertido em Canguru. Estes 2 brinquedos mantêm os mesmos sistemas de pêndulo. Substitui-se apenas o sketch do corpo do arlequim pelo sketch do corpo do canguru, mantendo os outros componentes e os constrangimentos aplicados que permitem replicar a mesma animação nos 2 brinquedos.

a) b) c)

Fig. 3. Ferramentas complementares de análise; a) na análise de interferências foi detetada uma interferência entre o pescoço e o eixo de ligação das asas do galo de 2,96 mm3; (b) na análise do ângulo de saída de 3º foi assinalada uma pequena faixa no eixo da cauda do galo cujo ângulo foi inferior ao prescrito; (c) na análise de curvaturas são assinalados os valores máximos na ponta da cauda e na cavidade da roldana.

Fig. 4. Modelação de famílias de brinquedos. Neste caso manteve-se o sistema de pêndulos que caracteriza a respetiva animação cinemática

III. INTERVENÇÃO PROJETUAL

A análise e síntese de mecanismos está profundamente ligada ao conceito de grau de liberdade (GL), tendo uma importância vital na criação de modelos cinemáticos [13]. Os graus de liberdade representam o número de parâmetros independentes necessários para caracterizar o comportamento cinemático dos componentes de qualquer mecanismo em termos de posição, velocidade e aceleração.

A metodologia convencional para determinar os graus de liberdade de um mecanismo é através do recurso à fórmula da mobilidade [14]. O software paramétrico evita a morosidade do cálculo de verificação e apresenta uma visualização tangível e intuitiva do comportamento cinemático dos mecanismos em análise.

Os modelos cinemáticos dos brinquedos foram realizados em 2 vertentes:

- Brinquedos com simulação de movimento exclusivamente cinemático, baseado apenas em mecanismos e motores: o processador reconhece as relações geométricas de montagem e as relações de acionamento e transmissão de movimento (motores; cames, engrenagens, cremalheira,

parafuso, dobradiça e junta universal) que condicionam o movimento dos componentes;

- Brinquedos com simulação de movimento dinâmico baseado em leis da Física/Mecânica (naturalmente governado pelas leis de movimento de Newton): processadores que simulam e analisam os efeitos do contacto, gravidade, forças externas, efeito de mola, amortecimento e atrito. Para além das relações cinemáticas e de montagem, integram no processamento mais rigoroso, propriedades do material, massa e inércia. Permitem visualizar os resultados através de gráficos (deslocamento, velocidade, aceleração, forças, etc.).

No primeiro grupo de modelos cinemáticos, incluem-se os seguintes projetos de brinquedos:

1 - Galo (Fig. 5). O movimento rotativo das rodas aciona simultaneamente a cabeça, cauda e asas com movimento rotativo oscilante, perfazendo 3 GL.

Fig. 5. Galo

2 – Cão de raça Basset, inspirado em sistema modular (Fig. 6). O movimento das rodas aciona os movimentos das patas, cauda, orelhas e língua, todos de tipo rotativo oscilante, perfazendo 4 GL.

Fig. 6. Cão de raça Basset, inspirado em sistema modular

3 – Motard

O sistema articulado pedal (manivela), perna e coxa é um mecanismo comum planar de 4 barras, em que o componente fixo (ou de referência) é o corpo da scooter (Fig. 7). O movimento rotativo oscilante do cachecol tem também origem numa cadeia fechada de 4 barras.

No grupo de modelos dinâmicos, foram apresentados 3 brinquedos com movimento pendular:

1 – Grupo de 3 pastores com movimento pendular plano que exibe o princípio da ação e reação, através de sucessivas

colisões (Fig. 8) – o processador calcula gravidade, inércia e contacto.

(a) (b)

Fig. 7. (a) brinquedo motard completo; (b) mecanismo articulado 3D dos braços e do volante

Fig. 8. Grupo de 3 pastores com movimento pendular plano que exibe o princípio de ação/reação

2 – Grupo de 5 pintainhos com movimento pendular plano (Fig. 9): 3 têm 2 GL; 2 têm 1 GL (8 GL no total). Devido ao grande número de interações provocadas pelas colisões, o brinquedo exibe uma grande hiperatividade.

Fig. 9. Grupo de 5 pintainhos com movimento pendular plano.

3 – Grupo de 6 pintainhos com movimento pendular em carrocel (Fig. 10). Cada pintainho tem 3 GL, totalizando o conjunto, 18 GL. Destaca-se aqui o efeito da força

centrífuga. Ao contrário dos outros dois brinquedos, integra um motor mecânico do tipo volante.

Finalmente, para se conhecer o impacto desta experiência projetual sobre os estudantes envolvidos, foi realizado um inquérito com 4 questões:

1 – A experiência projetual despertou o seu interesse?

2 – Ficou sensibilizado para os conceitos básicos de comportamento dos mecanismos?

3 - A experiência projetual promoveu a criatividade em projetos de brinquedos?

4 - A experiência projetual foi relevante para o curso frequentado?

Os estudantes manifestaram uma opinião bastante positiva relativa a todas as 4 questões apresentadas.

Fig. 10. Grupo de 6 pintainhos com movimento pendular em carrocel

IV. CONCLUSÕES

O brinquedo é um reflexo da nossa cultura e dos produtos que nos cercam. É um produto facilitador da aprendizagem, permitindo experiências lúdicas de diversão, fantasia e sensações. Sendo fácil de inovar, o brinquedo apela à criatividade e apresenta excelentes características educativas.

O desenho assistido por computador permite adquirir conhecimentos de design e engenharia de forma empírica e jogo. A combinação destas duas ferramentas de aprendizagem, em que se utilizam programas de CAD no processo de conceção de brinquedos, pode certamente aumentar as sinergias para criar um ambiente de aprendizagem e interactividade de sucesso, motivando fortemente os estudantes para o conhecimento e para a aquisição de capacidades.

Ao nível pedagógico, os estudantes envolvidos neste projeto demonstraram um grande empenho e criatividade, tendo participado ainda no seminário já referido, e desempenhado o papel de monitores do workshop “Brinquedos Mecânicos. Modelação e Animação Paramétrica”, integrado nas X Jornadas de Computação Gráfica e Multimédia do IPVC.

REFERÊNCIAS [1] http://mestradodesignintegrado.blogspot.pt/

[2] P.V. Vasconcelos e M.T. Vasconcelos, Brinquedos Mecânicos, Prototipagem Virtual, Seminário Brinquedo Tradição Inovação, IPVC-ESTG, Maio 2012.

[3] AAVV, História da Vida Quotidiana, Selecções Reader´s Digest, p. 20, 1993.

[4] AAVV, Egipto, um tesouro da humanidade, vol. 3, Planeta De Agostini, p. 554, 1998.

[5] M. Taddei, Leonardo da Vinci's robots, New mechanics and new automata found in codices, Leonardo3, 2007.

[6] C. Anjos, J. Arbués Moreira e J. Solano, O Brinquedo em Portugal, 100 anos do brinquedo português, Edição dos autores, 2010.

[7] R. L. Norton, Diseño de Maquinaria, McGraw-Hill, 1995.

[8] M. I. Ribeiro, Uma Viagem ao Mundo dos Robôs, Ciclo de Colóquios Despertar para a Ciência 2004, Fundação Calouste Gulbenkian, Instituto Superior Técnico de Lisboa, 2004.

[9] http://www.kikkerland.com/products/, acedido em 13/10/2012

[10] http://www.hexbug.com/, acedido em 13/10/2012

[11] E. Fischler, A aplicação de simulação no processo de desenvolvimento de produtos na indústria automobilística, Mestrado em Engenharia Automóvel na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2005.

[12] http://www.timberkits.com/Home/, acedido em 13/10/2012

[13] K.-H. Chang, Motion Simulation and Mechanism Design with Solidworks Motion 2009, Schroff Development Corporation, 2010.

[14] J. M. McCarthy and G. S. Soh, Geometric Design of Linkages, 2nd Edition, Springer 2010.