Aspecto construtivo de robôs, Notas de estudo de Robótica e Sistemas de Autônomos

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Aspecto construtivo de robôs | JOALDO A.S

CEMA robôs

Introdução Os benefícios teóricos de utilizar robôs em uma indústria são numerosos e vai desde o aumento da produtividade, a melhoria e a consistência na qualidade final do produto (a qual também minimiza a necessidade de operações adicionais), a menor demanda de contratação de mão de obra especializada, que é difícil de encontrar, a confiabilidade no processo, a facilidade na programação e uso dos robôs, a operação em ambientes difíceis e perigosos ou em tarefas desagradáveis e repetitivas para o ser humano e, finalmente, a capacidade de trabalho sem descanso por longos períodos. Entretanto, na prática, a aplicação de robôs na indústria requer uma solução confiável e robusta que desempenhe de forma consistente as funções predeterminadas. Ou seja, ao existir um problema a resolver, este deveria ser resolvido com um êxito próximo a 100%, em 100% do tempo, de tal forma que se tenha a confiança que o sistema robotizado realiza o trabalho para o qual foi designado. Qualquer porcentagem de êxito menor que esta frequentemente não é aceita. Indústrias que querem robotizar todos os seus processos, normalmente possuem problemas complexos para resolver, o que implica na necessidade de robôs caros e de alta precisão, que muitas vezes não trabalham como requerido. Na prática, o êxito no uso de robôs é alcançado com a robotização apenas de determinados processos, não de sua totalidade. 100% de soluções para 90% dos problemas normalmente é muito melhor que 90% de solução para 100% dos problemas. Em algumas aplicações os processos alcançam 100% de robotização, tal como na manipulação de materiais diversos, soldagem por resistência por pontos e pintura na indústria automobilística. E esse sucesso não é porque sejam processos simples; pelo contrário, são processos complexos, mas é um bom exemplo da relação custo- benefício, além de substituir a mão de obra humana em um trabalho repetitivo, difícil e, em muitas vezes, de alto risco.

Robôs Industriais

Desde que a empresa Unimation instalou o primeiro robô industrial em 1961, na atualidade mais de 700.000 robôs são empregados nas indústrias em todo o mundo. Os robôs, de acordo com a Associação de Indústrias de Robôs dos Estados Unidos ( Robot Industries Association - RIA), são "manipuladores reprogramáveis e

Os robôs são classificados de acordo com o número de eixos, tipo de controle, tipo de acionamento, e geometria do robô. Existem cinco classes principais de robôs manipuladores, segundo o tipo de juntas (de rotação ou de revolução -R-, ou de translação ou prismáticas -P- ), o que permite diferentes possibilidades de posicionamento no volume de trabalho. As cinco classes ou geometrias principais de um robô são: cartesiana, cilíndrica, polar (ou esférica), de revolução (ou articulada) e SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly). Estes estiOs são também denominados sistemas geométricos coordenados , posto que descrevem o tipo de movimento que o robô executa.

Robô de Coordenadas Cartesianas

O robô de coordenadas cartesianas, ou robô cartesiano (fig. 2), pode se mover em linhas retas, em deslocamentos horizontais e verticais. As coordenadas cartesianas especificam um ponto do espaço em função de sus coordenadas X, e y Z.

Fig. 2 Eixos de um robô cartesiano (Prismático-Prismático-Prismático, PPP).

Robô de Coordenadas Cilíndricas

O robô de coordenadas cilíndricas combina movimentos lineares com movimentos rotacionais. Normalmente, este tipo de robô possui um movimento rotacional na cintura (waist) e dos movimentos lineares (fig. 3); os movimentos destes eixos descrevem um cilindro.

Fig. 3 Eixos de um robô de coordenadas cilíndricas (RPP).

Robô de Coordenadas Polares (Esféricas) O robô de coordenadas polares ou esféricas possui dois movimentos que são rotacionais na cintura e ombro (waist e shoulder) e um terceiro movimento que é linear. Estes três eixos descrevem uma esfera (fig. 4).

Fig. 4 Eixos de um robô de coordenadas polares ou esféricas (RRP).

Robô de Coordenadas de Revolução (Articulado)

O robô de coordenadas de revolução (ou articulado) possui juntas e movimentos que se assemelham aos de um braço humano (fig. 5). O robô PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) é um dos projetos mais populares de robôs articulados e foi projetado inicialmente para cumprir com os requerimentos da indústria automobilística.

Fig. 5 Eixos de um robô de coordenadas de revolução ou articulado (RRR).

Robô SCARA

O robô SCARA é uma configuração recente utilizada para tarefas de montagem, como seu nome sugere. Embora tal configuração possua os mesmos tipos de juntas que uma configuração esférica (Rotacional-Rotacional-Prismática, RRP), ela se diferencia da esférica tanto pela sua aparência quanto pela sua faixa de aplicação. A figura 6 ilustra a estrutura de um robô SCARA.

onde as peças a processar são extremamente precisas ou apresentam características acomodatícias, o que permite o emprego de sistemas de sujeição para fixar suas dimensiones. Entretanto, em várias aplicações de robôs na indústria é difícil realizar um sistema de sujeição eficaz.

O aparecimento da nova geração de robôs permitiu interconectar sensores extereoceptivos com o controlador do robô, podendo utilizar tais sensores para obter propriedades relevantes do ambiente, e controlar o sistema na realização da tarefa. O emprego de sensores externos possibilita um controle em malha fechada que permite a realização de aplicações complexas, tais como agarrar objetos aleatoriamente posicionados e orientados, seguir objetos em movimento em um ambiente 3D, realizar a montagem de dispositivos mecânicos, realizar a inspeção/controle de qualidade de peças, efetuar a busca e identificação de objetos, além de se poder ter um controle muito preciso do manipulador.

Os sensores externos normalmente encontrados nos robôs industriais são sensores de segurança para proteção humana (cortinas de luz, ultra-som, barreiras mecânicas, dispositivos sensíveis a pressão, etc.), sensores de contato, sensores óticos para determinação de distância a obstáculos e reconhecimento de objetos, sensores indutivos, capacitivos, de efeito Hall, ultra-sônicos e láser para determinação de proximidade às peças a manipular.

Acionamento e Controle de Robôs

Os eixos de um robô são acionados por atuadores. Um atuador converte algum tipo de energia em movimento mecânico. Os três tipos de energia mais comuns para acionar os atuadores de um robô são:

• Pneumática
• Elétrica
• Hidráulica

Os atuadores hidráulicos possuem alto torque e velocidade de resposta, sendo adequados para atuar sobre cargas pesadas. Entretanto requerem equipamentos

periféricos, como bombas, o que implica na necessidade de manutenção frequente, além de gerar grande ruído. Os atuadores pneumáticos são mais baratos e simples, entretanto, não podem ser controlados com precisão. Atualmente os motores elétricos, CA ou CC, são os mais atrativos para ser empregados em robótica, devido a que são mais baratos e silenciosos.

O controle dos atuadores dos robôs normalmente é realizado através de dois métodos: servocontrolados ou não servocontrolados. Um robô não servocontrolado utiliza chaves mecânicas (limit switches) no final do curso de cada eixo tal que o controlador unicamente conhece quando um atuador está em uma das duas posições: iniciando ou finalizando seu movimento. O posicionamento de cada eixo é controlado por paradas mecânicas ajustáveis em lugar de ser pelo controlador. Este tipo de robô é de baixo custo e pode realizar tarefas de sequência fixa ou variável, por exemplo pegar objetos e colocá-los em um determinado lugar ( pick and place).

Por outro lado, os robôs servocontrolados, ao utilizar sensores internos (ou propioceptivos), podem conhecer a posição na qual se encontra cada eixo, além de sua velocidade. Por sua vez, o controlador pode controlar a quantidade de energia a ser fornecida aos atuadores, com a finalidade de permitir ao robô mover com velocidade variável e parar em qualquer posição. Estes robôs podem realizar tarefas através do modo playback (ensino e repetição) ou por programação de alto nível.

A figura 8 mostra os componentes principais de um robô servocontrolado, composto pelo robô, controlador e comando manual. Na figura 11 ilustram-se os componentes de um sistema utilizado em soldagem por arco robotizada. Dois cabos de conexão existente entre o sistema controlador do robô e o robô permitem a alimentação do mesmo e a transmissão de sinais entre ambos. Os principais componentes do controlador são o módulo de controle (computador e software), os dispositivos de manejo de potência, placas de entrada/saída de dados e os periféricos (vídeo, unidade de disco e "comando manual"). O software que controla o robô pode ser digitado diretamente no teclado do módulo de controle, utilizando uma das várias linguagens de programação de robôs (por exemplo, para o PUMA, utiliza-se o VAL II, que também é um sistema operacional)

Fig. 8 Componentes básicos de um robô servocontrolado.

respeito a um sistema de referencia fixo (normalmente a base do robô), com um erro determinado (por exemplo ± 1 mm). Trata-se de precisão em posicionamento absoluto.

Por repetibilidade, entende-se a capacidade do robô de, uma vez conhecida e alcançada uma posição, e partindo-se da mesma condição inicial, voltar a ir ("repetir") novamente a tal posição com um erro determinado. A maioria dos manuais dos robôs informa sobre a repetibilidade do robô e não a precisão absoluta, muito mais difícil de obter [3]. Ambos os parâmetros são mostrados na figura 11.

Fig. 11 Ilustração dos conceitos de precisão e repetibilidade.

Garras e Ferramentas Os robôs são projetados para atuar sobre seu ambiente, mas para isto devem ir dotado em seu órgão terminal de:

a) Garras ou mãos mecânicas:

• Com sujeição por pressão
• Com sujeição magnética
• Com sujeição a vácuo
• Com sujeição de peças a temperaturas elevadas
• Resistentes a produtos corrosivos/perigosos
• Dotadas de sensores, etc.

b) Ferramentas especializadas:

• Pistolas pulverizadoras (pintura, metalização)
• Soldagem por resistência por pontos
• Soldagem por arco
• Furadeiras
• Polidoras, etc.

A figura 12 mostra a enorme possibilidade de ferramentas e garras para robôs.

Fig. 12 Diversas ferramentas que podem ser acopladas ao órgão terminal de um robô.

Aplicações dos Robôs Industriais

Os robôs industriais têm fundamentalmente dois grandes grupos de aplicações, que obviamente se dividem em vários outros mais, que são :

a) Manipulação de materiais diversos b) Fabricação

Em ambos os casos o robô industrial modifica seu ambiente, seja mudando as peças de lugar, seja criando um ambiente novo mediante a fabricação. Embora não se inclua a montagem de conjuntos mecânicos em tais grupos de aplicações, é evidente que a montagem constitui o topo do desenvolvimento tecnológico na indústria, e é conhecido que na fabricação de um produto a montagem ocupa 53% do tempo, e supõe 22% do trabalho total.