Introdução Robótica, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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• 1. Introdução ................................................................................. SUMÁRIO
• 2. Histórico....................................................................................
  • 2.1. Introdução .......................................................................
  • 2.2. Principais Eventos...........................................................
• 3. Classificação Cronológica ........................................................
  • 3.1. Introdução .......................................................................
  • 3.2. Classificação ...................................................................
    • 3.2.1. Primeira Geração......................................................
    • 3.2.2. Segunda Geração......................................................
    • 3.2.3. Terceira Geração ......................................................
• 4. Critérios de Seleção ..................................................................
  • 4.1. Introdução .......................................................................
  • 4.2. O Que Verificar...............................................................
    • 4.2.1. Aplicações ................................................................
      • 4.2.1.1. Aplicações Industriais........................................
      • 4.2.1.2. Aplicações de Serviços ......................................
    • 4.2.2. Dimensões das Peças................................................
    • 4.2.3. Tipo de Movimento ..................................................
    • 4.2.4. Tempo de Manuseio .................................................
    • 4.2.5. Layout da Máquina...................................................
    • 4.2.6. Acessibilidade ..........................................................
  • 4.3. Relação Custo – Benefício .............................................. ii
• 5. Como Movimentar os Robôs ....................................................
  • 5.1. Introdução .......................................................................
  • 5.2. Atuadores ........................................................................
    • 5.2.1. Pneumático............................................................
    • 5.2.2. Hidráulico .............................................................
    • 5.2.3. Elétrico..................................................................
• 6. Robôs Industriais ......................................................................
  • 6.1. Introdução .......................................................................
  • 6.2. Estrutura ..........................................................................
  • 6.3. Tipos de Juntas................................................................
  • 6.4. Graus de Liberdade (GL) ................................................
• 7. Espaço de Trabalho...................................................................
  • 7.1. Introdução .......................................................................
• 8. Anatomia do Manipulador ........................................................
  • 8.1. Introdução .......................................................................
  • 8.2. Robôs Cartesianos...........................................................
    • 8.2.1. Especificações Técnicas Reais..............................
  • 8.3. Robôs Cilíndricos............................................................
    • 8.3.1. Especificações Técnicas Reais..............................
  • 8.4. Robôs Polares ou Esféricos ............................................. iii - 8.4.1. Especificações Técnicas Reais..............................
  • 8.5. Robôs SCARA ................................................................ - 8.5.1. Especificações Técnicas Reais..............................
• 9. Efetuadores ...............................................................................
  • 9.1. Introdução .......................................................................
  • 9.2. Características .................................................................
  • 9.3. Acionamento ...................................................................
  • 9.4. Medição...........................................................................
  • 9.5. Classificação ...................................................................
    • 9.5.1. Garras .......................................................................
      • 9.5.1.1. Garras com Dedos..............................................
      • 9.5.1.2. Garras a Vácuo...................................................
      • 9.5.1.3. Garras Magnéticas .............................................
      • 9.5.1.4. Garras Adesivas .................................................
      • 9.5.1.5. Ganchos .............................................................
    • 9.5.2. Ferramentas ..............................................................
• 10. Sistema de Coordenadas .........................................................
  • 10.1. Introdução .....................................................................
  • 10.2. Significado ....................................................................
• 11. Representação Matemática ..................................................... iv
  • 11.1. Introdução .....................................................................
  • 11.2. Representação de Posição .............................................
  • 11.3. Representação de Orientação ........................................
  • 11.4. Representação por Ângulos de Euler ............................
• 12. Transformações Homogêneas .................................................
  • 12.1. Aritmética de Transformações ......................................
    • 12.1.1. Transformação Composta.......................................
    • 12.1.2. Transformação Inversa ...........................................
• 13. Cinemática ..............................................................................
  • 13.1. Introdução .....................................................................
  • 13.2. Cinemática Direta..........................................................
    • 13.2.1. Notação Denavit Hartenberg (DH).........................
      • 13.2.1.1. Descrição Cinemática de Elo ...........................
      • 13.2.1.2. Descrição Cinemática de Junta ........................
      • 13.2.1.3. Transformação de Elo ......................................
  • 13.3. Cinemática Inversa........................................................
• 14. Controle de Movimento ..........................................................
  • 14.1. Introdução .....................................................................
  • 14.2. Geração de Trajetória ....................................................
    • 14.2.1. Geração em Espaço de Juntas................................. v - 14.2.1.1. Interpolação Linear .......................................... - 14.2.1.2. Interpolação com Polinômio Cúbico................ - 14.2.1.3. Interpolação Linear com Bordas Parabólicas...
• 15. Programação de Robôs ...........................................................
  • 15.1. Introdução .....................................................................
  • 15.2. Funções Básicas de Programação ................................. - 15.2.1. Definição de Variáveis. ....................................... - 15.2.2. Definição de Rótulos ........................................... - 15.2.3. Definição de Contadores ..................................... - 15.2.4. Manipulação de Contadores ................................ - 15.2.5. Definição de Pontos de Parada ............................ - 15.2.6. Manipulação de Interfaces................................... - 15.2.7. Tempo de Espera ................................................. - 15.2.8. Controle de Velocidade ....................................... - 15.2.9. Controle do Efetuador ......................................... - 15.2.10. Movimento Absoluto......................................... - 15.2.11. Movimento Relativo .......................................... - 15.2.12. Geração de Trajetória ........................................ - 15.2.13. Comandos Especiais ..........................................
• Fig. 1 – Manipulador industrial .................................................... R ELAÇÃO DE F IGURAS
• Fig. 2 – Tipos de juntas.................................................................
• Fig. 3 – Simbologia das juntas......................................................
• Fig. 4 – Ângulos de roll, pitch e yaw ............................................
• Fig. 5 – Espaço de trabalho...........................................................
• Fig. 6 – Modelos de manipuladores ..............................................
• Fig. 7 – Robô cartesiano ...............................................................
• Fig. 8 – Robô cilíndrico ................................................................
• Fig. 9 – Robô polar .......................................................................
• Fig. 10 – Robô SCARA ................................................................
• Fig. 11 – Garra de dedos paralelos com engrenagens...................
• Fig. 12 – Garra a vácuo com duas ventosas..................................
• Fig. 13 – Garra magnética dom ímã permanente ..........................
• Fig. 14 – Ponta de solda por arco..................................................
• Fig. 15 – Coordenadas generalizadas............................................
• Fig. 16 – Coordenadas generalizadas ampliadas...........................
• Fig. 17 – Representação gráfica do ponto P..................................
• Fig. 18 – Representação do vetor posição.....................................
• Fig. 19 – Representação de um corpo rígido ................................
• Fig. 20 – Rotação em torno do eixo z ...........................................
• Fig. 21 – Ângulos de Euler ZYX ..................................................
• Fig. 22 – Orientação relativa entre dois referenciais..................... vii
• Fig. 23 – Translação pura..............................................................
• Fig. 24 – Parâmetros de elo...........................................................
• Fig. 25 – Parâmetros de junta .......................................................
• Fig. 26 – Manipulador planar e atribuição de referenciais............
• Fig. 27 – Manipulador (a) cilíndrico, (b) RD5 e (c) XYZ ............
• Fig. 28 – Múltiplas soluções .........................................................
• Fig. 29 – Malha de controle em espaço de juntas .........................
• Fig. 30 – Malha de controle em espaço cartesiano .......................
• Fig. 31 – Trajetória descrita por um manipulador planar..............
• Fig. 32 – Manipulador planar com 1 GL ......................................
• Fig. 33 – Posição em função do tempo .........................................
• Fig. 34 –Velocidade em função do tempo ....................................
• Fig. 35 – Perfil linear com bordas parabólicas..............................

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02 - HISTÓRICO

2.1. INTRODUÇÃO

A palavra robô tem origem na palavra tcheca ROBOT- NIK , que significa servo, o termo robô foi utilizado inicialmente por Karel Capek (teatrólogo tcheco) em 1923.

Não é só o homem moderno que tem o desejo de cons- truir robôs, existem alguns fatos históricos que nos mostram que a idéia não é nova, por exemplo, existem inúmeras referências sobre o "Homem Mecânico" construído por relojoeiros com a finalidade de se exibir em feiras. Há relatos também da realiza- ção de várias "Animações Mecânicas" como o leão animado de Leonardo da Vinci, e seus esforços para fazer máquinas que re- produzissem o vôo das aves. Porém estes dispositivos eram muito limitados, pois não podiam realizar mais que uma tarefa, ou um número reduzido delas.

A idéia de se construir robôs começou a tomar força no início do século XX com a necessidade de aumentar a produti- vidade e melhorar a qualidade dos produtos. É nesta época que o robô industrial encontrou suas primeiras aplicações (George Devol – considerado o pai da robótica industrial).

Atualmente, devido aos inúmeros recursos que os sis- temas de microcomputadores nos oferece, a robótica atravessa uma época de contínuo crescimento que permitirá, em um curto

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espaço de tempo, o desenvolvimento de robôs inteligentes fa- zendo assim a ficção do homem antigo se tornar à realidade do homem atual.

2.2. PRINCIPAIS EVENTOS

SÉCULO XVIII ⇒ Bonecos encenavam peças musicais. ⇒ O controle era rudimentar. Feito através de cabos e ou- tros dispositivos mecânicos.

ANO DE 1923 ⇒ Karel Capek – Peça RUR.

ANO DE 1939 ⇒ Isaac Asimov – Eu Robô (livro), postulando as três leis fundamentais da robótica: (1ª) um robô não deve machucar um humano ou, por sua inércia, deixar que este sofra dano; (2ª) um robô deve obedecer às ordens que lhe são dadas por um hu- mano, exceto quando essas ordens contradigam a 1ª lei; (3ª) um robô deve proteger sua própria existência até on- de esta não entre em conflito com a 1ª ou 2ª leis.

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03 – CLASSIFICAÇÃO CRONOLÓGICA

3.1. INTRODUÇÃO

O avanço da tecnologia permitiu o surgimento e desen- volvimento de várias estruturas, necessitando classificá-los de acordo com a época de aparecimento, situando-os tecnologica- mente no tempo.

3.2. CLASSIFICAÇÃO

Devido a várias diferenças em função de características e propriedades, existem diversas classes de robôs que se dife- renciam em suas aplicações e formas de trabalhar.

3.2.1. PRIMEIRA GERAÇÃO

¾ São dotados apenas de sensores (percebem apenas estados internos do robô). ¾ Requerem um ambiente estruturado (objetos bem posicio- nados). ¾ Têm seqüência fixa (repetem a mesma tarefa). ¾ Precisam ser re-programados para outras tarefas. ¾ Dotados de pequeno poder computacional. Ex: “Braços” para coleta de amostras submarinas.

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3.2.2. SEGUNDA GERAÇÃO

¾ São dotados com sensores internos e externos (percebem os estados do ambiente). ¾ Podem atuar em um ambiente parcialmente estruturado. ¾ Seus atuadores são pneumáticos, hidráulicos ou elétricos. Ex: Manipuladores.

3.2.3. TERCEIRA GERAÇÃO

¾ Fazem uso intensivo de sensores. ¾ Algoritmos de percepção. ¾ Algoritmos de controle inteligente. ¾ Comunicação com outras máquinas. ¾ Tomam decisões autônomas diante de situações não pre- vistas. ¾ Podem atuar em um ambiente não estruturado. ¾ Uso incipiente na indústria. Ex: Robôs utilizados em missões espaciais (exploradores).

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4.2.1.1. APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

¾ Empilhamento e Empacotamento; ¾ Montagem e Desmontagem de Materiais; ¾ Medição, Inspeção; ¾ Soldagem; ¾ Aplicação de Fluidos; ¾ Corte.

4.2.1.2. APLICAÇÕES DE SERVIÇO

¾ Agricultura, Medicina e Domésticos; ¾ Exploração Espacial; ¾ Ajuda a Incapacitados; ¾ Arredores Perigosos; ¾ Minas e Construções.

4.2.2. DIMENSÕES DAS PEÇAS

A dimensão e natureza da peça a ser manipulada influ- enciam diretamente na estrutura do robô. Peças pesadas, por exemplo, podem exigir efetuadores hidráulicos. Por outro lado, peças delicadas necessitam de efetuadores pneumáticos ou até com ventosas.

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4.2.3. TIPO DE MOVIMENTO

É determinado pelo campo de atuação do robô.

4.2.4. TEMPO DE MANUSEIO

Influencia diretamente a produção diária, portanto, de- ve ser cuidadosamente analisado (cumprir a demanda).

4.2.5. LAYOUT DA MÁQUINA

A geometria e o layout das máquinas, produtoras das peças a serem manipuladas, devem ser consideradas na escolha do robô. Muitos layouts requerem versões especiais de robôs ou graus de liberdade adicionais para que a demanda do processo seja atendida.

4.2.6. ACESSIBILIDADE

A principal função de um robô manipulador em um processo produtivo é diminuir os custos da produção através de um melhor aproveitamento da capacidade instalada. Para isso, quanto melhor a acessibilidade à peça, tanto menor o tempo de manobra. Portanto, as geometrias da máquina e a do robô de- vem ser compatíveis de modo a facilitar as operações de mani- pulação.

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05 – COMO MOVIMENTAR OS ROBÔS

5.1. INTRODUÇÃO

Os circuitos de potência, comandados pelo controlador, são os responsáveis pelo acionamento, aplicando a energia ne- cessária, nos atuadores, à realização dos movimentos.

5.2. ATUADORES

São os elementos responsáveis pela conversão da ener- gia disponível em energia mecânica para movimentar o robô. Podem ser:

¾ Pneumático; ¾ Hidráulico; ¾ Elétrico.

5.2.1. PNEUMÁTICO

Tipo de atuador que utiliza um gás pressurizado para movimentar o robô. Características principais:

¾ Leves; ¾ Baratos; ¾ Movimentos Rápidos; ¾ Baixa Precisão (operação do tipo pega e coloca); ¾ Não são robustos.

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5.2.2. HIDRÁULICO

Faz utilização de um fluido a pressão para realizar os movimentos programados. Características principais:

¾ Mais Fortes; ¾ Mais Caros; ¾ Perdem precisão quando o fluido muda de temperatura; ¾ Grande Potência e Velocidade; ¾ Baixa Precisão.

5.2.3. ELÉTRICO

Utiliza a energia elétrica para executar suas tarefas. Ca- racterísticas principais:

¾ Mais Fortes; ¾ Mais Caros; ¾ Podem ser extremamente rápidos; ¾ Têm dependência do tipo do motor; ¾ Porte Médio; ¾ Maior Precisão.

PROBLEMA 02: Em relação ao problema 01, qual o tipo de acio- namento mais indicado e por quê? Faça uma esti- mativa das características dos componentes utili- zados.