Apostila de Robotica Basica

ROBÓTICA BÁSICA

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ROBÓTICA ROBÓTI CA BÁSI BÁ SICA CA – DIDATEC DIDATECH H Comérci o de Equi pamentos pamento s Didáticos Didátic os Ltda. Lt da. - São São Paulo – 2005 2005 1ª Edição – Revisão 0, folhas 03 à 43

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CAPÍTULO 1 INTROD INTRODUÇ UÇÃ Ã O À ROBÓTICA ROBÓTICA . Décadas atrás, os robôs faziam parte apenas da ficção científica, fruto da imaginação do homem. No início dos anos 60, os primeiros robôs começaram a ser usados com o objetivo de substituir o homem em tarefas que ele não podia realizar por envolverem condições desagradáveis, tipicamente contendo altos níveis de: • • • • •

calor; ruído; gases tóxicos; esforço físico extremo; trabalhos monótonos, "entediantes". "entediantes".

Existem duas tendências, nos últimos 20 anos, que garantem a evolução dos robôs: 1. O constante aumento dos níveis salariais dos dos empregados; 2. O extraordinário avanço tecnológico no ramo de computadores, que induz à redução dos preços do robô e uma significativa melhoria em seu desempenho. Há alguns anos, foi concebida a idéia de que sistemas mecânicos poderiam ser controlados por operações numérico-aritméticas. As máquinas-ferramenta CNC (Controle Numérico Computadorizado) são máquinas operadas, e suas velocidades são controladas por computadores conectados aos motores das máquinas.



CAPÍTULO 2 O QUE É UM ROBÔ? Neste capítulo vamos estudar algumas definições e conceitos envolvidos com a operação de robôs. Os pontos abordados neste capítulo são: o braço mecânico, mecânico, seus tipos de automação, automação, uma classificação de robôs, robôs, as limitações de custo e custo e implicações sociais. sociais.

O BRAÇO BRA ÇO MECÂNICO. MECÂNICO. O braço mecânico é um manipulador projetado para realizar diferentes tarefas e ser capaz de repeti-las. Para realizar determinadas tarefas, o robô move partes, objetos, ferramentas, e dispositivos especiais segundo movimentos e pontos pré-programados. Um robô consiste de um braço mecânico motorizado e um cérebro na forma de um computador que controla seus movimentos. O computador guarda em sua memória um programa que detalha o curso que o braço seguirá. Quando o programa está rodando, o computador envia sinais ativando motores que movem o braço e a carga no final dele, que é mantida sob controle pelo atuador ("end effector"). Dois aspectos importantes do funcionamento de um braço mecânico correspondem ao sensoreamento sensoreamento do ambiente e como se realiza a programação do programação do mesmo.

SENSOREAMENTO. Para realizar certas tarefas os robôs precisam de habilidades sensoriais similares às do homem. Os modelos avançados de robôs estão equipados com sensores, mas sua capacidade ainda é limitada, assim como sua capacidade de movimentação, já que os robôs ficam fixos em um local, ou tem um espaço restrito para se mover.

PROGRAMAÇÃO. O computador que controla o robô deve possuir as seguintes características: • • •

•

memória para guardar os programas; conexões para os controladores dos motores; conexões para entrada e saída de dados e ativar os programas operacionais; unidade de comunicação controlada por humano.


para um


TIPOS TIPOS DE AUTOM A UTOMAÇÃ AÇÃO. O. Automação pesada: máquinas que são projetadas para executar uma função específica. Nestes sistemas, qualquer mudança na operação padrão demanda uma mudança no hardware da máquina e em sua configuração. Geralmente utilizados para um produto particular e de difícil adaptação a outro produto. Automação flexível: máquinas de fácil programação onde pode ser mudada fácil e rapidamente uma configuração de manufatura para outra.

CLASSIFICAÇÃO DE ROBÔS. 1ª Geração - são incapazes de obter qualquer informação sobre o meio. Podem realizar apenas movimentos pré-programados e as informações que eles retornam sobre o ambiente de operação é mínima. 2ª Geração - possui todas as características da 1ª Geração, acrescentando uma detalhada comunicação com seu ambiente. Esta comunicação é atingida através de sistemas de sensoreamento e identificação. Necessita de computadores mais velozes, com maior memória, e também um grande avanço na capacidade de sensoreamento. sensoreamento.

LIMITAÇÕES DE CUSTO. O maior fator que impede a adoção em massa de robôs nas indústrias é seu alto custo. O tempo que leva para se recuperar o investimento em um robô depende dos custos de compra, instalação e manutenção. Este tempo não é fixo, depende da fábrica onde o robô será instalado e de sua aplicação. Devem-se considerar as seguintes condições: • • • • •

número de empregados substituídos pelo robô; número de turnos por dia; produtividade comparada a seu custo; custo de projeto e manutenção; custo dos equipamentos periféricos.

O preço de um robô é determinado por: • • • •

tamanho; sofisticação ou grau de complexidade; exatidão; confiabilidade.



IMPLICAÇÕES SOCIAIS. Nos últimos tempos, através da automação, observou-se o decréscimo do nível de emprego nas atividades industriais. Em curto prazo, a automação levanta problemas como o desemprego, necessária reconversão e treinamento pessoal, conseqüências da redução de horas de trabalho, questões de aumento de salários em atividades de maior produtividade. Alguns aspectos do confronto operacional de homens e robôs são:

HOMEM X ROBÔS O robô tem claramente algumas vantagens sobre os humanos: 1. 2. 3. 4.

não se cansa; não necessita de salário; pode manter manter uma qualidade uniforme uniforme na produção; não necessitam de condições ambientais especiais, tais como ar condicionado, luz e silêncio.

Em compensação, o robô tem: aprendizado, memória e movimentos limitados se comparado a um homem.



CAPÍTULO 3 O BRAÇO B RAÇO MECÂNICO MECÂNICO INTRODUÇÃO. Neste capítulo estudaremos o braço mecânico do robô, seus tipos de juntas e graus de liberdade, liberdade, seus tipos de articulações, articulações, sua área de trabalho trabalho (work envelope), e suas formas de acionamento. acionamento. O braço do robô executa movimentos no espaço, transferindo objetos e ferramentas de um ponto para outro, instruído pelo controlador e informado sobre o ambiente por sensores. Na extremidade do braço existe um atuador usado pelo robô na execução de suas tarefas. Todo braço de robô é composto de uma série de vínculos e juntas, onde a junta conecta dois vínculos permitindo o movimento relativo entre eles, como mostrado na figura 1. Todo robô possui uma base fixa e o primeiro vínculo está preso a esta base. A mobilidade dos robôs depende do número de vínculos e articulações que o mesmo possui.

FIGU FIGURA RA 1 - Junta Junt a e víncul víncul os em um braço de d e robô



TIPOS DE JUNTAS. Os braços de robôs podem ser formados por três tipos de juntas: • • •

juntas deslizantes deslizantes;; juntas de rotação rotação;; juntas de esfera esfera e encaixe. encaixe.

A maioria dos braços dos robôs é formada pelas juntas deslizantes e de revolução, embora alguns incluam o de bola e encaixe. A seguir será descrito cada um destes tipos de juntas.

Juntas Junt as Deslizante Deslizantes. s. Este tipo de junta permite o movimento linear entre dois vínculos. É composto de dois vínculos alinhados um dentro do outro, onde um vínculo interno escorrega pelo externo, dando origem ao movimento linear. Este tipo de junta é mostrada na figura 2, como segue.

FIGURA 2 - Junta deslizante



Juntas Junt as de Rotação. Rotação. Esta conexão permite movimentos de rotação entre dois vínculos. Os dois vínculos são unidos por uma dobradiça comum, com uma parte podendo se mover num movimento cadenciado em relação à outra parte, como mostrado na figura 3. As juntas de rotação são utilizadas em muitas ferramentas e dispositivos, tal como tesouras, limpadores de pára-brisa e quebra-nozes.

FIGURA FIGURA 3 - Junt a de rotação



Juntas Ju ntas de d e Esfera Esfera e Enc Encaixe. aixe. Esta conexão se comporta como uma combinação de três juntas de rotação, permitindo movimentos de rotação em torno dos três eixos, como mostrado na figura 4.

FIGURA FIGURA 4 - Junta Junt a de esfera e encaixe



Três juntas rot acionais su bsti tuindo tui ndo a junt a de esfera e encaixe encaixe

Estas juntas são usadas em um pequeno número de robôs, devido à dificuldade de ativação. De qualquer maneira, para se ter a desempenho de uma junta esférica e encaixe, muitos robôs incluem três juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentação se cruzam em um ponto, como na figura 5.

FIGUR FIGURA A 5 - Três juntas ro tacionais su bstit uindo a junta de esfera e encaixe encaixe



GRAUS DE LIBERDADE. O número de articulações em um braço do robô é também referenciado como grau de liberdade. Quando o movimento relativo ocorre em um único eixo, a articulação tem um grau de liberdade. Quando o movimento é por mais de um eixo, a articulação tem dois graus de liberdade. A maioria dos robôs tem entre 4 a 6 graus de liberdade. Já o homem, do ombro até o pulso, tem 7 graus de liberdade.

CLASSIFICAÇÃO DOS ROBÔS PELO TIPO DE ARTICULA A RTICULAÇÃ ÇÃO. O. É usual classificar os robôs de acordo com o tipo de junta, ou mais exatamente, pelas três juntas mais próximas da base do robô. Esta divisão em classes fornece informações sobre características dos robôs em várias categorias importantes: 1. 2. 3. 4.

Espaço de trabalho. Grau de rigidez. Extensão de controle sobre sobre o curso do movimento. movimento. Aplicações adequadas adequadas ou inadequadas para cada tipo tipo de robô.

Robôs podem ser classificados pelo tipo de juntas em cinco grupos: - Cartesiano. - Cilíndrico. - Esférico. - Articulação horizontal. - Articulação vertical. O código usado para estas classificações consiste em três letras, referindo-se ao tipo de junta (R = revolução, P = deslizante - do inglês prismatic) na ordem em que ocorrem, começando de junta mais próxima à base.



Robôs Cartesianos. O braço destes robôs tem três articulações deslizantes sendo codificado como PPP, como na figura 6.

FIGURA FIGURA 6 - Robô Robô Cartesiano

Os robôs cartesianos caracterizam pela pequena área de trabalho, mas com um elevado grau de rigidez mecânica e são capazes de grande exatidão na localização do atuador. Seu controle é simples devido ao movimento linear dos vínculos e devido ao momento de inércia da carga ser fixo por toda a área de atuação.



Robôs Cilíndricos. Os braços destes robôs consistem de uma junta de revolução e duas juntas deslizantes, sendo codificada como RPP, como segue na figura 7.

FIGURA 7 - Robô Cilíndrico

A área de trabalho destes robôs é maior que os robôs cartesianos, mas a rigidez mecânica é ligeiramente inferior. O controle é um pouco mais complicado que o modelo cartesiano, devido a vários momentos de inércia para diferentes pontos na área de trabalho e pela rotação da junta da base.



Robôs Esféricos. Estes robôs possuem duas juntas de revolução e uma deslizante, sendo codificado como RRP, como na figura 8.

FIGURA FIGURA 8 - Robô Esf érico éric o

Estes robôs têm uma área de trabalho maior que os modelos cilíndricos, mas perde na rigidez mecânica. Seu controle é ainda mais complicado devido os movimentos de rotação.



Robôs com Articulação Horizontal. Caracterizam-se por possuir duas juntas de revolução e uma deslizante, sendo codificados RRP, como na figura 9.

FIGU FIGURA RA 9 - Robô com Articul Art icul ação Hori Horizontal zontal

A área de atuação deste tipo de robô é menor que no modelo esférico, sendo apropriados para operações de montagem, devido ao movimento linear vertical do terceiro eixo.



Robôs com Art iculaçã icul ação o Vertical. Vertical. Estes robôs caracterizam-se por possuir três juntas de revolução, sendo codificados por RRR, como na figura 10.

FIGU FIGURA RA 10 - Robô com Articul Art icul ação ação Vertical

Sua área de atuação é maior que qualquer tipo de robô, tendo uma baixa rigidez mecânica. Seu controle é complicado e difícil, devido às três juntas de revolução e devido a variações no momento de carga e momento de inércia.



COMPARAÇÃO DA ÁREA DE TRABALHO DOS ROBÔS. Nesta seção será feita uma análise matemática elementar para o calculo da capacidade dos robôs. As comparações são ilustradas na figura 11 e o calculo da área de trabalho segue-se após a mesma. Robôs Cartesianos - Alcançam qualquer ponto de um cubo de lado L.

V = L *L *L Robôs Cilíndricos - alcançam qualquer ponto em um cilindro de altura L e raio 2L, exceto os pontos do cilindro interno de raio L e altura L.

V = 9,42 * L * L * L Robôs Esféricos - alcançam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L, exceto a esfera interna de raio L.

V = 29,32 * L * L * L Robôs de Articulação Horizontal - alcançam qualquer ponto de um cilindro de raio 2L e altura L.

V = 12,56 * L * L * L Robôs de Articulação Vertical - Alcançam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L.

V = 33,51 * L * L * L Dessa forma, os robôs possuem um progressivo aumento na sua área de atuação, indo do cartesiano até o de articulação vertical. Então, a razão entre a área relativa aos casos extremos é:

Vav/Vc = 33,51 Isto significa que a área de trabalho de um robô com articulação vertical com dois vínculos de tamanho L é 33,51 vezes maior que a área de trabalho do robô cartesiano com três vínculos de tamanho L.



FIGU FIGURA RA 11 - Comparação Comparação da Ár ea de Trabalho Trabalho dos tipos tip os de d e robôs



CONVENIÊNC CONVENIÊNCIA IA PARA TAREFAS PARTICULARES. PARTICULA RES. A avaliação dos tipos de articulações e seu arranjo permitem ao projetista estimar a área de atuação do robô, rigidez mecânica e facilidade de controle do braço, possibilitando qual tarefa serão mais apropriadas para cada tipo de robô. O movimento das articulações capacita o robô a mover seu atuador para qualquer ponto na sua área de atuação, mas não habilitando o controle da orientação do atuador no espaço; cuja importância não se restringe somente ao alcance da peça, mas também em conduzir o atuador a certa altitude em relação à peça. Essa tarefa pode ser realizada adicionando-se articulações para o pulso do braço, dando um maior grau de liberdade. A partir disso, o robô fica habilitado a realizar os seguintes movimentos: • • •

Pitch - movimento para cima e para baixo. Roll - movimento de rotação no sentido horário e anti-horário. Yaw - movimento para a esquerda e para a direita.

CONSTRUÇÃO DOS VÍNCULOS. Um importante fator na construção dos vínculos é a carga que o mesmo suporta o peso do próprio braço e o grau de rigidez do mesmo. Um braço pesado necessita de um motor maior, tornando o custo do robô mais elevado. Um braço de baixa rigidez reduz a precisão do robô devido às vibrações e resposta à tensão. Para aumentar a rigidez mecânica do braço sem aumentar seu peso, freqüentemente usa-se uma estrutura oca. A utilização deste tipo de estrutura tem uma melhor dureza quando comparada com uma construção maciça utilizando à mesma massa de material. Essa comparação é mostrada na figura 12.

FIGU FIGURA RA 12 - Estr Estrutu uturas ras para a constr ução de víncul os



DRIVER'S DE ACIONAMENTO DO BRAÇO DO ROBÔ. Existem vários tipos de Drivers que são classificados genericamente como: • • •

pela forma de movimento movimento - Drivers Dri vers de Rotação e de Deslizamento. pela forma de acionamento acionamento - Drivers Elétrico, Hidráulico, Pneumático pela forma de conexão conexão - Drivers Direto e Indireto

Classificação pela forma movimento: Drivers deslizamento

de rotação

e de

Driver de rotação - consiste em um motor, que quando conectado à sua fonte de energia, o eixo do motor responde em um movimento de rotação. Driver deslizante - consiste em um cilindro hidráulico ou pneumático. O movimento linear também pode ser produzido por um movimento rotativo usando correias ou hastes empurradas pelo motor, fazendo uma conversão de movimento rotativo em linear.

Classificação pela forma acionamento: Drivers elétrico, elétrico, hidráulico e pneumático Driver Elétrico

Este tipo de driver utiliza motores elétricos que podem ser: motor de corrente contínua, motor de passo e motor de corrente alternada. Muitos robôs novos têm drivers de motor corrente contínua devido ao alto grau de precisão e simplicidade de controle do motor elétrico. As vantagens do driver elétrico: 1. 2. 3. 4.

Eficiência calculada, controle preciso. Envolve uma estrutura simples simples e fácil fácil manutenção. manutenção. Não requer uma fonte fonte de energia cara. cara. Custo relativamente pequeno.

As desvantagens: desvantagens: 1. Não pode mante manterr um momento constante constante nas mudança mudançass de velocidade de rotação. 2. Sujeitos a danos para cargas pesadas pesadas suficientes suficientes para parar o motor. motor. 3. Baixa razão de potência potência de saída do do motor e seu peso, peso, necessitando um motor grande no braço.



Driver hidráulico

Esta unidade é composta de: motor de movimento rotativo e cilindro para movimento deslizante. A unidade de acionamento hidráulico provoca movimento em pistões que comprimem o óleo, como mostra a figura 13.

FIGU FIGURA RA 13 - Unidade Unidade de acion amento hi dráulico dráuli co

O controle é feito através de válvulas que regulam a pressão do óleo nas duas partes do cilindro e que impulsionam o pistão. As vantagens do driver hidráulico: 1. Momento alto e constante sob uma grande faixa de variação de velocidade. 2. Precisão de operação operação (menor que o elétrico elétrico e maior que o pneumático). pneumático). O óleo não é compressível e não há variação de seu volume quando se varia à pressão. 3. Pode manter um alto alto momento para um longo período de tempo, qua quando ndo parado. As desvantagens são: 1. 2. 3. 4.

Requer uma uma fonte fonte de energia cara. Requer uma manutenção cara e intensa. Requer válvulas de precisão caras. Está sujeito sujeito a vazamento de óleo.



Driver pneumático

Esta unidade é similar à hidráulica e é composto de: motores pneumáticos de movimento rotativo e cilindros pneumáticos de movimento deslizante. Na figura 13 pode-se considerar a mesma para acionamento pneumático, utilizando utilizando ar ao invés de óleo. Possui um alto grau de precisão nas paradas. São utilizados em sistemas automáticos simples, mas pouco utilizado em robôs devido à alta compressibilidade, o que reduz a habilidade de realizar controle preciso. É muito utilizado em movimentos de agarramento, tanto para abrir como para fechar as garras. As vantagens do driver pneumático: 1. 2. 3. 4.

Podem operar operar em velocidades velocidades extremamente altas. Custo relativamente pequeno. Fácil manutenção. Podem manter um momento constante em uma grande faixa de velocidade. 5. Pode manter alto o momento por longos longos períodos de tempo sem danos, danos, quando parado. As desvantagens são: 1. Não possui alta precisão. 2. Esta sujeito a vibrações quando o motor ou cilindro pneumático é parado. Resumindo, o driver elétrico é melhor em aplicações envolvendo: • • •

Alta precisão de posição; Transferência de carga de tamanho pequeno e médio; Pequenas ambientes para sistemas de compressores de óleo e ar;

O driver hidráulico trabalha melhor em situações envolvendo: • •

Transferência de cargas pesadas (de 2.000 libras ou mais); De média para alta precisão na localização e velocidade;

O driver pneumático é preferível em aplicações envolvendo: • • • •

Baixa precisão; Necessidade de baixo custo; Altas velocidades; Transferências de pequenas e médias cargas.



Classificação Classifi cação pela pela forma form a de conexão: Drivers Direto e Indireto.

No caso do driver direto, o motor é montado diretamente na junta que ele irá mover. Se o motor é montado longe da junta, próximo da base, o driver é indireto; neste caso há elementos de transmissão como correntes, correias, diferenciais e engrenagens. As vantagens do driver indireto sobre o direto: 1. Redução do peso peso do braço mecânico; mecânico; 2. Permite mudanças mudanças na velocidade velocidade de rotação das juntas. As desvantagens do driver indireto sobre o direto: 1. Falta de precisão precisão da operação operação da junta junta devido à liberdade liberdade mecânica dos pontos de conexão entre os dispositivos de transferência; 2. Perdas consideráveis de potência.



CAPÍTULO 4 O CONTROLADOR DO ROBÔ. INTRODUÇÃO O Controlador é à parte do robô que opera o braço mecânico e mantém contato com seu ambiente. O dispositivo em si é composto por hardware e software, combinados para possibilitar ao robô executar suas tarefas. Neste capítulo vamos estudar: os níveis de controle do robô, robô, a classificação temporal da programação do controlador e tipos de software para o controlador .

NÍVEIS DE CONTROLE DO ROBÔ. O controle do robô pode ser dividido em três níveis que constituem a hierarquia de controle. Os níveis são: •

•

•

Controle do acionador : ou controle de cada eixo do robô separadamente. Nível mais baixo. Controle da trajetória : trajetória : ou controle do braço do robô com coordenação entre os eixos para percorrer a trajetória especificada. Nível intermediário. Controle de coordenação com o ambiente ambiente : é o controle do braço em coordenação com o ambiente. Nível mais alto.



Fig 1 - Relação entre os vários níveis de controle na realização de uma tarefa.

CONTROLE CONTROLE DO ACIONADOR Aci Ac i onado on adorr es : unidades que provocam o movimento dos eixos do robô. Cada eixo de movimento inclui, pelo menos, uma articulação, um vínculo e um acionador. Em alguns robôs, os eixos incluem dispositivos de transferência de movimento assim como unidades para identificar a posição relativa dos vínculos. Um eixo que contém tais unidades possui controle de malha fechada.

Os sinais de controle provêm de um computador (quando se fala em computador, deve-se ter em mente que pode ser também um microcontrolador, ou um microprocessador) é digital, então deve passar por um conversor digital/analógico (uma vez que os Acionadores de robô geralmente trabalham com sinais analógicos). Mas isso ainda não é suficiente, pois a potência necessária para operar a unidade acionadora é relativamente alta, então se usa um amplificador.



FIG. 2 - Seqüência de acionamento de um motor elétrico com controle de malha fechada Para se entender o conceito de malha fechada é necessário recordar o de realimentação. Realimentação consiste em se tomar uma medida do estado atual do dispositivo a ser controlado e comparar essa medida com um valor pré-definido. Essa comparação vai resultar em um erro. O controlador vai tomar as providências necessárias para que esse erro seja reduzido à zero. Um diagrama em blocos desse tipo de controle é mostrado na figura 3.

FIG. 3 - Seqüência de acionamento de um motor elétrico. Em um controle de malha fechada, não se pode medir nem corrigir eventuais erros, então não se tem certeza se o objetivo foi atingido. Controle em malha fechada é utilizado em praticamente todos os robôs industriais existentes.



Em um controle de malha fechada de um braço de robô, as unidades que informam sobre a posição atual dos vínculos é o encoder. Há um encoder presente em cada eixo a ser controlado. Existe um grande número de encoders, mas o mais comum é o encoder rotacional ótico, que é composto por: • • •

uma fonte de luz (como um LED). um detector de luz. um disco perfurado que gira entre a fonte e o detector de luz.

Esse disco é conectado à articulação do robô. Isso faz com que o detector receba pulsos de luz e transforme em pulsos elétricos. O número de pulsos gerados é proporcional à extensão de movimento e/ou ao ângulo de rotação do eixo do robô. A velocidade dos vários eixos do robô também deve ser conhecida, para se prevenir flutuações no movimento do robô. Um componente utilizado para medir a velocidade é o tacômetro. CONTROLE CONTROLE DE TRAJETÓRIA TRA JETÓRIA

Cada tarefa executada por um robô pode ser considerada como uma série de operações, através das quais o atuador é movido pelo braço do robô entre dados pontos e operado como programado nesses pontos. O controle de trajetória pode ser dividido em dois métodos: controle ponto-aponto e ponto e controle contínuo. contínuo. Antes de descrever cada método, devemos definir alguns termos: •

•

•

Ponto: localização no espaço em direção ou através do qual o atuador é movido por uma operação do braço do robô. Passo: uma parte do programa operacional do robô. A cada passo, o robô executa uma atividade. Série: uma coleção de passos que combinados formam o programa operacional do robô.

CONTROLE CONTROLE DE TRAJETÓR TRAJ ETÓRIA IA PONTO-A-PONTO PONTO-A-PONTO

Neste tipo de controle, primeiramente definimos uma coleção de pontos para o robô. Então construímos a série e guardamos na memória do controlador. Quando rodamos a série, o braço do robô vai se mover pelos vários pontos, de acordo com a ordem dos passos na série. Em cada passo o robô sabe para onde ir, mas não conhece a trajetória que traçará para chegar a um certo ponto. Robôs com controle ponto-a-ponto são geralmente usados em séries onde o atuador não precisa realizar alguma função no decorrer do movimento. Uma aplicação típica é solda em ponto. A maioria dos robôs do mundo opera em controle ponto-a-ponto.



CONTROLE CONTROLE DE TRAJETÓRIA CONTÍNUA CONTÍNUA

Esse método é mais complexo e caro do que o ponto-a-ponto, pois o braço deve se mover por uma trajetória exatamente definida. Os movimentos dos acionadores são coordenados pelo controlador do braço a cada instante, de tal forma que a trajetória irá se assemelhar o máximo possível com a programada. A trajetória do robô pode ser definida por dois métodos, como veremos: •

Método A: Nesta técnica, o braço do robô é movido manualmente pela trajetória desejada, enquanto o controlador grava em sua memória as posições das articulações a cada instante, através das informações fornecidas pelos encoders. Quando a série é rodada mais tarde, o controlador comanda os acionadores de acordo com a informação em sua memória. O braço então repete a trajetória precisamente. Método B: Nesta técnica, a trajetória é definida por um determinado trajeto de movimento, tal como uma linha reta ou um arco passando por dados pontos. O controlador calcula e coordena o movimento a cada instante. O computador controlador deve ser mais rápido e ter mais memória do que o computador de um controle ponto-a-ponto. Robôs com controle de trajetória contínua são usados em séries onde o atuador deve realizar algum trabalho enquanto o braço se move. Uma aplicação típica é pintura com spray.

CONTROLE DE COORDENAÇÃO COM O AMBIENTE

O movimento de um braço de robô é baseado em movimento coordenado de todos seus acionadores. As condições em que esses acionadores trabalham são diferentes. Diferem na carga, no momento de inércia e na velocidade, por exemplo. Portanto, essas condições variáveis podem exigir um diferente planejamento de controle para cada malha de controle. •

Em robôs modernos, cada malha de controle do acionador é controlada por um microcomputador. Se quisermos que o atuador se mova até determinado ponto, podemos ditar as coordenadas daquele ponto para o computador controlador que irá coordenar os movimentos das várias articulações. O operador não precisa se preocupar com o controle de cada eixo separadamente nem coordenar o movimento dos vários eixos, isso é função do computador controlador.



CLASSIF CLA SSIFICAÇÃO ICAÇÃO TEMPORAL TEMPORAL DE PROGRAMAÇÃ PROGRAMAÇÃO O Uma das principais diferenças entre controladores relaciona-se com o momento em que a trajetória de movimento é calculada, e com a habilidade de realizar mudanças na trajetória enquanto o braço está em movimento. Existem dois tipos de controle: programação off-line e programação e controle em tempo real. real. PROGRAMA PROGRAMAÇÃO ÇÃO OFF-LINE

Neste modo, o controlador do robô guarda a trajetória de movimento em sua memória como uma série de pontos e os correspondentes movimentos das várias articulações. Enquanto o programa está sendo executado, o controlador não realiza cálculos de trajetória. Ao invés disso, o controlador simplesmente lê os comandos de movimento da memória que já foram previamente processados. Portanto, neste método não podem ser usadas séries em que ocorrem mudanças durante a execução do programa, tais como as que envolvem o uso de sensores. Programação off-line não necessita de computadores rápidos e complexos, por isso é menos dispendiosa do que controle em tempo real. PROGRAMA PROGRAMAÇÃO ÇÃO E CONTROLE EM TEMPO REAL

Neste modo, o controlador recebe instruções gerais sobre a trajetória de movimento. Enquanto o braço está se movendo, o controlador deve calcular a extensão do movimento das várias articulações a fim de se mover pela trajetória desejada. As informações recebidas dos sensores sobre mudanças no ambiente do robô enquanto o braço se move são processadas pelo controlador em tempo real. Controle em tempo real é preferível à programação off-line, por ser mais flexível na sua habilidade de mudar o curso de ação enquanto uma tarefa está sendo executada. Esta flexibilidade exige um controlador mais complexo, incluindo um computador rápido o suficiente para processar a informação sem diminuir a velocidade de operação do robô.

TIPOS DE SOFTWARE PARA O CONTROLADOR Como já foi dito, o controlador do robô é composto de hardware e software. Este software pode ser dividido basicamente em dois componentes: software de usuário e usuário e software de controlador .



SOFTWARE DE USUÁRIO

É escrito pelo operador do robô para cada série executada pelo robô. Consiste numa coleção de pontos ao longo da trajetória e das operações executadas nesses pontos pelo atuador. São escritos em linguagens de alto nível. Escrever um programa de usuário é tarefa simples, qualquer um pode fazê-lo com algum treino. SOFTWARE DE CONTROLADOR

É o software do robô que é escrito pelo fabricante. É o responsável pelo processamento dos comandos do programa do usuário e pela sua conversão em comandos para o robô. O grau de sofisticação do robô é fortemente determinado pelo software do controlador. Esse software em robôs avançados é complexo. Inclui centenas de cálculos que devem ser realizados rapidamente enquanto o robô está em movimento. Torna-se mais complexo à medida que os graus de liberdade aumentam.



CAPÍTULO 5 ATUADORES INTRODUÇÃO O atuador (end effector) é todo um sistema montado na extremidade do vínculo mais distante da base do robô, cuja tarefa é agarrar objetos, ferramentas e\ou transferi-las de um lugar para outro. São exemplos de atuadores a pistola de solda, garras e pulverizadores de tintas. A operação do atuador é o objetivo final na operação de um robô, assim todos os demais sistemas (unidades drives, controles, etc.) são projetados para habilitar sua operação. O atuador é de extrema importância na execução de uma tarefa, portanto é necessário que o mesmo seja adequadamente projetado e adaptado às condições do seu meio e área de trabalho. Existem dois tipos de atuadores: Garras e Garras e Ferramentas. Neste capítulo vamos apenas estudar as garras, sendo que os diferentes tipos de ferramentas vão ser vistos mais à frente, no capítulo de aplicações, já que as ferramentas são específicas para cada tipo de aplicação.

ATUADORES A TUADORES TIPO GARRA A garra é comparável à mão humana. No entanto, ela não é capaz de simular seus movimentos, resultando na limitação dos movimentos a uma faixa de operações. A grande demanda tem levado ao desenvolvimento de garras que podem manusear objetos de diferentes tamanhos, formas e materiais. Estas garras são divididas em vários tipos de classe: •

Garra de dois dedos; dedos;



Garra Garra de dois dedos: É o tipo mais comum e com grande variedade. São diferenciados um do outro pelo tamanho e/ou movimento dos dedos, como o movimento paralelo mostrado na figura 1 ou o movimento de rotação mostrado na figura 2. A principal desvantagem desta garra é a limitação da abertura dos seus dedos, restringindo, assim a sua operação em objetos cujo tamanho não exceda esta abertura máxima.

Fig. 1 - Garra de movimento paralelo



fig. 2 - Garra com movimento de rotação







SCORBOT SCORBOT ER 5plus

Robô para treinamento e ensino dos fundamentos de robótica, com controlador multitarefa e braço mecânico, com as seguintes características:

Nr. Eixos - Braço mecânico: •

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•

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•

•

•

•

5 mais a garra

Construção:

Braço articulado verticalmente

Capacidade de carga:

1 Kg (2.2 libras)

Repetibilidade:

0.5 mm

Velocidade:

Programáveis em qualquer valor percentual dentro do limite do controlador

Velocidade máxima:

600 mm / segundo

Atuadores:

6 servo motores DC com controle em malha fechada

Feedback:

Codificadores óticos em todos os eixos



•

•

•

•

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Envelope de Trabalho:

Junta do corpo 310º Junta do ombro +130º/ - 35º Junta do cotovelo +/- 130º Junta do punho +/- 130 º Junta da munheca ilimitada Raio máximo de operação 610mm

Abertura da garra:

75mm sem almofada de borracha 65mm com almofada de borracha

Sensores:

A garra pode medir o tamanho de objetos

Transmissão:

Engrenagens, correias sincronizadoras e fuso

Peso:

10.8 Kg

Características Características de segurança:

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Conexões pneumáticas:

Motores param automaticamente se o braço atingir algum obstáculo, sem que ocorra perda de dados da memória do controlador Freio imediato - o usuário pode abortar a qualquer instante o movimento do robô Encoders e partes que se movimentam estão totalmente fechadas Previsto conexões pneumáticas para garra



Controlador

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Tipo:

Stand-alone, PID, tempo real multitarefa, PWM

Peso:

19 Kg

CPU:

Motorola 68010

Comunicação:

RS 232C

Nr. Servo eixos:

11 (a configuração standard inclui 8 eixos)

Entradas/Saídas: Entradas/Saídas:

16 entradas (TTL, 12 V, ou 24 V, lógico) 16 saídas (4 reles, 12 coletores abertos)

Linguagem de Programação: ACL, do tipo industrial Fonte de Alimentação para o usuário: 12 V, 2 A EPROM:

384 KB

User RAM:

64 KB

Sistema de coordenadas:

XYZ ou juntas juntas de robô com definições absolutas e relativas





Teach Pendant •

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Tela de cristal líquido (LCD) com duas linhas de 32 caracteres Permite a movimentação de todos os 11 eixos do controlador Permite a movimentação do robô ao longo de linhas retas

X+ «-» XY + «-» YZ + «-» ZP+ «-» PR+ «-» R-

eixo X, direção + e - (para frente e para trás) eixo Y, direção + e - (esquerda para direita) eixo Z, direção + e - (para cima e para baixo) pitch, direção + e - (para cima e para baixo) roll, direção + e - (esquerda e direita)

Dois modos de movimentar o pitch: •

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O braço não se move, enquanto enquanto a ponta da garra se move para para cima e para baixo; A pon ponta ta da da garra permanece fixa em seu ponto e apenas apenas altera a orientação enquanto os outros eixos do robô executam movimentos. Alterar o controlador para "ready" e "not ready". Possibilitar a alteração alteração do ângulo ângulo do pitch enquanto mantém constante o ponto X, Y, Z da ponta do braço. Velocidade de programação (1 a 100). Rodar simultaneamente os programas do usuário armazenados na memória RAM. Abortar programas em execução. Gravar posições.





Apostila de Robotica Basica

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