Introdução à Robótica, Notas de aula de Matérias técnicas

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Mecatrônica

Robótica e Manufatura

Flexível

Habilitação Técnica em

Aula

Mecatrônica

RMF

(Introdução à Robótica)

Prof. Edgar Bergo Coroa

Araraquara-SP, 2020

1. AUTOMAÇÃO

Automação é uma tecnologia que faz uso de sistemas mecânicos, elétricos, eletrônicos e de computação para efetuar controle de processos produtivos. Podemos observar a semelhança desta definição com a definição da palavra mecatrônica, nos permitindo dizer que as duas coisas são uma só. Alguns exemplos de processos de automação nas indústrias são:

• linhas de montagem automotiva
• integração de motores – linha “transfer”
• maquinas operatrizes do tipo CNC
• robôs

Pode-se identificar três formas distintas de automação industrial:

• automação fixa
• automação flexível
• automação programável

a) Automação fixa As máquinas são específicas para o produto a ser produzido. Elas produzem grande quantidade um único produto, ou produtos com pequenas variações entre eles. O volume de produção é elevado, e o custo da máquina é elevado, pois é projetada para um produto especifico. Por outro lado, como o volume de produção é alto, o custo do produto em geral é baixo. Tais máquinas são encontradas em linhas transfer de motores, produção de lâmpadas, fabricação de papel e de garrafas. Neste tipo de automação, devesse ter cuidado com o preço final do produto, pois, como o investimento de aquisição da máquina é alto, a amortização só acontece com vendas elevadas. Além disso, se o produto sair do mercado por obsolescência, perde-se o investimento.

b) Automação flexível Na automação flexível o volume de produção é médio e geralmente a máquina pode ser programada para produzir um outro produto, ainda que semelhante. Esta automação possui características da automação fixa e da programável. A máquina deve ser adaptável a um número grande de produtos similares, e, neste sentido, ela é mais flexível que a automação fixa. A automação flexível é empregada, por exemplo, numa linha de montagem automotiva.

c) Automação programável Na automação programável o volume de produção é baixo, mas a variedade de produtos diferentes é alta. Ela é adaptável por meio de programação. Os principais exemplos de automação programável são as máquinas CNC e os robôs industriais. Portanto, os volumes de produção de um robô industrial não são grandes, mas ele é extremamente adaptável a produtos diferentes. Embora robôs industriais sejam produzidos em diversas configurações, algumas delas se assemelham, até certo ponto, a características humanas (antropomórficas), e, portanto, são propícias para substituir operações realizadas por humanos. Os robôs são totalmente programáveis, possuem braços moveis, e são empregados em várias atividades, entre as quais destacam-se:

• carregamento e descarregamento de máquinas
• soldagem a ponto ou outra forma
• pintura ou jateamento
• processo de conformação ou usinagem

2. HISTÓRICO DA ROBÓTICA

Ao lermos a palavra robótica imediatamente nos lembramos dos robôs. Mecanismos construídos em metal, semelhantes aos seres humanos e obedientes aos seus comandos. Ainda que instintivamente relacionemos os robôs aos seres humanos, podemos afirmar que a aparência de um robô industrial é muito diferente da do homem. Os robôs industriais foram projetados tendo como referência apenas uma parte do corpo humano, o membro superior (braço), capaz de executar diversos movimentos.

Segundo a Robotic Industries Association (RIA), robô industrial é definido como um "manipulador multifuncional reprogramável, projetado para movimentar materiais, partes, ferramentas ou peças especiais, através de diversos movimentos programados, para o desempenho de uma variedade de tarefas” (RIVIN, 1988).

Uma definição mais completa é apresentada pela norma ISO ( International Organization for Standardization ) 10218: "uma máquina manipuladora com vários graus de liberdade, controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel, para utilização em aplicações de automação industrial".

Porém, o termo robótica refere-se ao estudo e à utilização de robôs. O termo surgiu pela primeira vez pelo cientista americano e escritor, Isaac Asimov que escreveu prodigiosamente sobre uma vasta diversidade de disciplinas e objetos, ficando célebre pelos seus trabalhos de ficção científica.

A palavra robótica foi usada pela primeira vez em uma pequena estória publicada em 1942. Tomado como provável que os robôs viessem a ter inteligência, Isaac Asimov formulou três leis, às quais acrescentou, posteriormente, uma quarta, a "lei zero".

As Leis da Robótica:

Lei Zero: Um robô não pode causar mal à humanidade ou, por omissão, permitir que a humanidade sofra algum mal, nem permitir que ela própria o faça.

Lei 1: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal.

Lei 2: Um robô deve obedecer às ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos que em tais ordens contrariem a Primeira Lei.

Lei 3: Um robô deve proteger sua própria existência, desde que tal proteção não entre em conflito com a primeira e a segunda leis.

Claro que as coisas não funcionam exatamente como planeado, e várias histórias de Asimov mostram resultados imprevistos da obediência dos robôs às Leis da Robótica. Asimov via seus robôs como produto da mente de engenheiros de senso prático, que embutiriam normas de segurança nos circuitos das máquinas de forma a não permitir a existência do tradicional cliché da ficção científica da época, que era “o robô como uma ameaça aos humanos”.

Esta definição envolve três tipos de Robôs:

- Robô Fixo – Também chamado de Braço Mecânico, é montado sobre uma base a qual lhe serve de sustentação física e de referência de movimentos. É o tipo mais comum de Robô e o mais usado em aplicações industriais; - Robô Móvel – Também chamado de Carro ou AGV ( Automatically Guided Vehicle = Veículo Guiado Automaticamente), pois pode se locomover com certa autonomia obedecendo a um controle.

- Robô humanóide - Também chamado de andróide por seu aspecto humano: anda sobre duas pernas (o que permite subir e descer escadas), possui dois braços (o que permite manipular objetos da mesma maneira que o ser humano) e tem dois sistemas de captação de imagem na parte frontal da cabeça (o que lhe dá visão estéreo e o mesmo ponto de vista de um ser humano). Por estas características pode substituir um ser humano sem necessidade de adaptação do ambiente.

Por outro lado, os robôs são chamados de “andróides” quando que se assemelham com pessoas.

O feminino de “andróide” é “ginóide”, mas entretanto é muito pouco usado.

O termo “andróide” é frequentemente usado em referência a robots de ambos os "sexos". Robôs andróides: do filme Terminator 2, Arnold Schwarzenegger no papel de um andróide (à esquerda e à direita em cima) e do filme Terminator 3, T-X, a robô girl, isto é, a garota robô (à direita em baixo).

Os robôs andróides na verdade são uma criação da ficção científica e ainda estão muito longe de ser uma realidade.

Principais Desvantagens

O preço de um robô é determinado por suas dimensões, grau de sofisticação e complexidade, exatidão e confiabilidade. Na especificação de sistemas automatizados em que se utilizam dispositivos robóticos, devem-se considerar:

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

Classificação dos Robôs

- Robô de 1ª geração: robô que não se comunica com outros robôs; - Robô de 2ª geração: robô que se comunica com outros robôs; - Robô de 3ª geração: utiliza inteligência artificial, software que permite a tomada de decisão (sistema especialista / lógica fuzzy).

2.1. Robôs Industriais

Os robôs industriais seguem o mesmo princípio de controle das máquinas ferramenta CNC, mas sua estrutura mecânica é bastante diferente. Alguns conceituam robô como um manipulador mecânico reprogramável. Para outros, o robô é um mecanismo automático universal. Seja como for, a ideia principal é a de que os robôs são máquinas controladas numericamente, destinadas a executar uma grande diversidade de operações.

A maior parte dos robôs, espalhados pelo mundo, desenvolve atividade de soldagem, manipulação de peças e pintura.

Robôs: Realidade e Ficção

Tendemos a crer que robôs são máquinas construídas à semelhança do homem, com inteligência privilegiada. Mas a tecnologia atual ainda não é capaz de igualar a realidade à ficção científica. Os robôs industriais são surdos, mudos, feios e burros. A maioria deles é cega e os poucos que possuem sistemas de visão artificial acabam distinguindo apenas contrastes entre áreas claras e escuras. Mas os robôs atuais são máquinas bastante úteis e, desde 1961, quando o primeiro robô foi empregado numa indústria automobilística, vêm evoluindo.

Anatomia dos Robôs Industriais

Um conceito importante no estudo dos robôs é o de volume de trabalho, ou seja, o conjunto de todos os pontos que podem ser alcançados pela garra de um robô, durante sua movimentação. Assim, os componentes que fazem parte do seu local de trabalho devem ser arranjados para ficarem dentro desse volume de trabalho. Os robôs são classificados de acordo com o volume de trabalho. Assim, existem os robôs cartesianos, cilíndricos, esféricos ou polares e os articulados ou angulares. Essas configurações são chamadas de clássicas ou básicas. Elas podem ser combinadas de modo a formar novas configurações.

A grande maioria dos robôs é acionada por meio de servomotores elétricos. O acionamento elétrico, ao contrário do pneumático ou hidráulico, é mais facilmente controlável e oferece maior precisão de posicionamento.

utilizadas para manusear para-brisas de automóveis. Essa ferramenta, denominada órgão terminal, é fixada na flange do punho do robô.

O conjunto dos movimentos do corpo e do punho dos robôs define a posição e a orientação do órgão terminal, possibilitando a execução da tarefa. Dependendo do número de graus de liberdade, a estrutura mecânica de um robô pode ser mais ou menos complexa. Ela consiste basicamente de peças que se unem umas às outras por articulações ou juntas. O acionamento de cada uma das juntas é realizado por meio de um servomotor elétrico e de sistemas de transmissão mecânica que variam em função da configuração do robô.

Utilizam-se fusos de esferas circulantes, iguais aos empregados em máquinas ferramenta, engrenagens, polias e correias dentadas (também chamadas sincronizadoras), barras articuladas e redutores de velocidade de elevada taxa de redução.

Quanto aos redutores de velocidade, dois tipos bastante utilizados são os redutores planetários e os cicloidais, devido ao fato de apresentarem uma elevada taxa de redução em relação ao volume ocupado. Esses redutores são normalmente aplicados no acionamento dos movimentos do corpo do robô (base, braço e antebraço). Substituem os fusos de esferas, utilizados no acionamento do braço e do antebraço dos robôs articulados mais antigos, possibilitando robôs mais compactos.

Controle

Os robôs industriais são, na verdade, como já dissemos, espécies de máquinas de comando numérico. Seu sistema de controle funciona de maneira similar ao das máquinas-ferramenta CNC.

Controlar os movimentos de um robô consiste, basicamente, em fazer com que seus motores girem, associados a cada uma das juntas da estrutura do robô, de modo que o órgão terminal atinja posição e orientação desejadas. Esse controle, à primeira vista, pode parecer fácil. Na verdade, é complicado pois envolve aspectos mecânicos, eletrônicos e de computação. Não se trata apenas de um ponto, mas de uma série deles, formando uma trajetória a ser percorrida pelo órgão terminal. E a cada ponto o órgão terminal pode apresentar uma orientação diferente. O sistema de controle ainda deve considerar a massa que está sendo manuseada pelo robô, as acelerações e desacelerações, os atritos entre os componentes mecânicos. E todos esses cálculos devem ser feitos durante a movimentação do robô ou, como se costuma dizer, em tempo real. O desenvolvimento de controles numéricos com velocidades de processamento cada vez maiores, bem como o surgimento de novos componentes mecânicos e materiais mais leves e resistentes, vem contribuindo para que os robôs fiquem mais rápidos, confiáveis e precisos. Mesmo assim, a precisão desse tipo de máquina continua sendo pior do que a das máquinas- ferramenta CNC, que normalmente apresentam estruturas mais rígidas e um arranjo mais simples de componentes mecânicos. Além disso, os robôs ainda continuam sendo máquinas pouco inteligentes. Não têm capacidade suficiente para se adaptar a situações imprevistas. Os robôs atuais ainda seguem, passo-a-passo, todas as instruções fornecidas pelo homem. Não podem se desviar do que lhes foi previamente estabelecido, a menos que este desvio também tenha sido previsto. Os robôs não pensam. Apenas obedecem cegamente aos comandos do homem. Esta característica faz com que eles só possam ser usados em ambientes padronizados, não sujeitos a variações imprevistas. Caso contrário, ficarão sujeitos a acidentes que acabarão por inviabilizar a operação automática.

Durante a operação automática, simplesmente mandamos o robô repetir o que lhe foi ensinado e pronto. A desvantagem desse método de programação, no entanto, está na necessidade de interromper o trabalho normal de produção do robô para ensinar-lhe uma nova tarefa.

Aplicação

As possibilidades de aplicação de robôs industriais são muito amplas. Apesar de se concentrarem em áreas determinadas, a cada dia, graças a sua característica de máquina universal, os robôs ganham uma nova aplicação, substituindo o homem como uma máquina-ferramenta.

Manipulação de Material

A função principal de um robô é manipular materiais. Isto não acrescenta valor ao produto, mas somente custo. Portanto, deve ser cuidadosamente estudado para se obter uma forma de manuseio eficiente e barata.

Entre as operações de manuseio mais comuns, realizadas pelos robôs, estão as de carregamento e descarregamento de máquinas, bem como as de paletização e despaletização. Paletizar significa distribuir ou arranjar peças sobre um pallet. Pallet é o nome que se dá à bandeja ou estrado sobre o qual podem ser dispostos elementos como peças, sacos, caixas. Despaletizar é retirar esses elementos do pallet, para serem processados, armazenados, embalados.

Os robôs também podem manusear peças para a montagem de um determinado produto. É o que ocorre quando se ajusta um para-brisa na carroceria de um automóvel.

Soldagem

Os processos de soldagem MIG e por resistência elétrica (solda a ponto) são as aplicações mais populares dos robôs industriais. O principal usuário dos robôs de solda a ponto é a indústria automobilística. A figura mostra, esquematicamente, uma estação de soldagem de carrocerias de automóveis formada por robôs. Em algumas das linhas, é possível associar-se a cada carroceria um sistema de identificação. A carroceria, ao passar pela estação, é identificada como sendo deste ou daquele veículo. Com essa informação, aciona-se o programa de soldagem apropriado. Assim, uma mesma linha pode trabalhar com tipos diferentes de automóveis, de modo flexível.

Atividades perigosas

Além das aplicações industriais típicas, o robô tem aplicação bastante promissora em atividades perigosas ou insalubres ao homem. Utilizam-se robôs para a exploração espacial (um exemplo é o braço mecânico usado pelos ônibus espaciais americanos para colocar satélites em órbita ou repará-los). Os robôs também são enviados para lugares onde ninguém pode ou quer ir: recolhem tesouros em navios afundados a grandes profundidades, medem temperaturas e fazem análise de gases em crateras de vulcões ou lidam com produtos radiativos em usinas nucleares.