UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO. Projeto Conceitual de um Robô SCARA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Projeto Conceitual de um Robô SCARA Disciplina de Projetos I (CCA 99002) Prof.Dr. Rafael Antônio Comparsi Laranja Guilherme de Mello Kich (193411) Ramon Schmitt (181600) Porto Alegre, Julho de 2012

2 RESUMO Este trabalho se trata da elaboração de um projeto conceitual sobre um braço robótico do tipo SCARA. Essa parte do projeto é a segunda após o projeto informacional e visou à obtenção de um conceito sobre o dispositivo, ou seja, se desejou encontrar uma idéia clara sobre a estrutura geral e com certo grau de detalhamento do robô. Para chegar a essa situação se utilizou de revisão bibliográfica a respeito do assunto. Com ela, foi possível entender o que existe de forma a atender as especificações do projeto informacional. Juntamente, foi utilizada a metodologia do projeto conceitual para elaborar o conceito em si, com o auxílio do mapa conceitual e da elaboração da estrutura funcional do dispositivo. Palavras-chave: Projeto conceitual, robô SCARA, projeto acadêmico, braço robótico, robótica, metodologia projeto 2

3 LISTA DE FIGURAS Figura 2.01: Elos e juntas... 7 Figura 2.02: Juntas deslizantes Figura 2.03: Juntas de rotação Figura 2.04: Robô com articulação horizontal Figura 2.05: Estrutura padrão da configuração SCARA Figura 2.06: (a) Estrutura do robô SCARA mais compacto da KUKA. (b) Estrutura típica de SCARA da EPSON e ADEPT Figura 2.07: Robô SCARA da TOSHIBA MACHINE para manuseio de peças pesadas Figura 2.08: (a) Garra de dedos paralelos com engrenagem e cremalheira. (b) Garra acionada por came. (c) Garra acionada por parafuso. (d) Garra acionado por sem fim. (e) Garra de dedos paralelos movimentada por motor Figura 2.09: (a) Garra movimentada por pistão pneumático de efeito simples. (b) Garra de dedos paralelos movimentados por um pistão de duplo efeito Figura 2.10: Robô SCARA da KUKA Robotics equipado com garra pneumática Figura 2.11: Robô SCARA da Stäubli equipado com ventosa Figura 2.12: Garra magnética com imãs permanentes e pistões separadores Figura 2.13: Estrutura do controlador Figura 2.14: Controlador TS3100 dos robôs SCARA da TOSHIBA MACHINE Figura 2.15: Painel de controle do robô SCARA IBM Figura 3.01: Mapa conceitual do braço robótico SCARA Figura 3.02: Diagrama da estrutura funcional do braço robótico SCARA Figura 3.03: Protótipo braço articulado com efetuador do robô SCARA Figura 3.04: Protótipo do robô SCARA

4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Objetivos REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Estrutura Sistemas de Transmissão Mecânica Efetuadores Garras Ferramentas Acionamentos e Medição Sistema hidráulico Sistema pneumático Motores elétricos de corrente contínua Motor de passo Servomotores Atuadores linear Controle e Interface METODOLOGIA Análise Escopo do projeto Estrutura funcional Síntese CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

5 1. INTRODUÇÃO A automação possibilita grandes incrementos na produtividade do trabalho, além de aumentar a produção. Os equipamentos automatizados permitem uma melhora na qualidade do produto, uniformizando a produção, eliminando perdas e refugos. O uso de robôs contribui para a automação em processos de média e pequena escala, sendo que nesta última, basta alterar o programa e a ferramenta do robô para produzir um novo modelo e, desta forma, se consegue grandes incrementos na produtividade e, consequentemente, na produção. [Moura, 2004] Neste contexto, as disciplinas de Projetos do Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) têm como objetivo integrar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso e suas aplicações, fornecendo alguns conceitos de desenvolvimento de projetos de máquinas em controle e automação. Para tanto, é proposto ao aluno realizar o processo de desenvolvimento de um produto com suas macrofases (planejamento, processo de projeto do produto e implementação) e suas, respectivas, fases. Neste momento, será desenvolvido o projeto conceitual do produto, que representa uma fase associada ao processo de projeto do produto. Tendo em vista que o Engenheiro de Controle e Automação é um profissional que deve ter uma formação multidisciplinar nas áreas de eletro-eletrônica, mecânica e informática, será realizado o processo de desenvolvimento de um robô industrial do tipo SCARA. A robótica abrange tecnologia da áreas citadas anteriormente bem como, em menor grau, teoria de controle, microeletrônica, inteligência artificial e teoria de produção. O estudo sobre robôs tem sua origem na ficção científica. O termo robótica refere-se ao estudo e ao uso de robôs e foi popularizado pelo escritor Isaac Asimov. A palavra robô está ligada ao dramaturgo checo Karel Capek, sendo obtida da palavra checa robota que significa trabalho forçado ou servo, termo introduzido na década de 20 em uma peça de teatro. De acordo com a ISO 8373, de 1994, que trata sobre manipuladores industriais, robô é um "Manipulador controlado automaticamente, reprogramável, multifunção e programável em 3 ou mais eixos, podendo ser fixo ou móvel, para uso em aplicações industriais automatizadas. Deve ser um equipamento, cujos movimentos ou funções auxiliares podem ser modificadas sem alterações físicas e capaz de ser adaptado a diferentes aplicações. [Moura, 2004] 5

6 O conceito de braço Robótico SCARA foi desenvolvido em 1979 pelo professor Hiroshi Makino da Universidade de Yamanashi do Japão. O seu intuito era obter robôs com baixos graus de liberdade, mas que fossem muito eficientes na manipulações de produtos em indústrias. Entre as apoiadoras do projeto, estava a empresa Sankio Seiki, a qual veio a se tornar a primeira fabricante do Robô SCARA em 1981, juntamente com a NEC e Pentel. [Carrara, 2011] O nome SCARA é uma sigla em inglês que significa: Selective Compliant Assembly Robot Arm, em português: braço robótico seletivo compatível com linhas de montagem. Dessa forma, o nome já demonstra o objetivo do projeto desde o início, ou seja, criar um dispositivo compatível com linhas de manufaturas com espaços reduzidos Objetivos O projeto conceitual apresentado aqui tem como objetivo especificar as características construtivas e técnicas de um robô SCARA em acordo com as especificações do produto provenientes do projeto informacional. Esse trabalho, portanto, visa a encontrar soluções e alternativas físicas de construção que satisfaçam os requisitos através de pesquisa e análise de outras soluções existentes bem como a proposição de novas ideias. Dessa forma, a meta é possuir, com a conclusão do projeto conceitual, conceitos reais e de possível realização quando da construção do produto. 6

7 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A revisão bibliográfica foi realizada a partir da análise de modelos industriais do robô SCARA, destacando os aspectos importantes de sua estrutura, de seus efetuadores, dos sistema de transmissão mecânicos, dos acionamentos envolvido, do material, do controle e interface com usuário associados ao mesmo Estrutura Todo braço de robô é composto por uma série de elos e juntas, onde a junta conecta dois elos permitindo o movimento relativo entre eles. Comparando com a anatomia da perna humana, elo pode ser comparado à canela ou coxa, e junta ao joelho, desta forma entre dois elos há uma junta de movimentação (Figura 2.01). Figura 2.01: Elos e juntas (adaptado de Moura, 2004). A grande maioria dos robôs SCARA 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 (esta discussão será mais detalhada posteriormente). Os robôs podem apresentar vários movimentos, sendo que cada um é realizado por meio de um servomotor elétrico. O número de articulações em um braço do robô é também referenciado como grau de liberdade, sendo que a maioria dos robôs SCARA no mercado tem entre 3 a 5 graus 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. 7

8 A mobilidade dos robôs depende do número de elos e articulações que o mesmo possui. Os braços de robôs podem ser formados por juntas deslizantes, juntas de rotação ou juntas de bola e encaixe, sendo que as mais usadas são a junta de rotação e a deslizante. As juntas deslizantes permitem o movimento linear entre dois elos, que é composto de dois elos alinhados um dentro do outro, onde um elo interno escorrega pelo externo, dando origem ao movimento linear (Figura 2.02). [Moura, 2004] Figura 2.02: Juntas deslizantes (adaptado de Moura, 2004). As juntas de rotação permitem movimentos de rotação entre dois elos, sendo que estes são unidos, permitindo o movimento de rotação entre eles, como acontece nas dobradiças das portas e janelas (Figura 2.03). [Moura, 2004] Figura 2.03: Juntas de rotação (adaptado de Moura, 2004). O conjunto de pontos que podem ser alcançados pelo órgão terminal do braço manipulador forma o espaço ou o volume de trabalho do robô. Os robôs são 8

9 classificados de acordo com o volume de trabalho, existindo os robôs cartesianos, cilíndricos, esféricos ou polares, e os articulados ou angulares. Essas configurações são chamadas de clássicas ou básicas, e podem ser combinadas de modo a formar novas configurações. A classificação do robô, de acordo com o tipo de juntas, consiste em letras, uma para cada eixo, na ordem em que ocorrem, começando da junta mais próxima à base, sendo R para junta de revolução e P para junta deslizante (vem do inglês prismatic). Os robôs com articulação horizontal (Figura 2.04), na qual o robô SCARA é classificado, caracterizam-se por possuir duas juntas de revolução e uma deslizante, sendo codificados RRP. Os robôs SCARA são apropriados para operações de montagem, devido ao movimento linear vertical do terceiro eixo. [Moura, 2004] Figura 2.04: Robô com articulação horizontal (adaptado de Moura, 2004). A Figura 2.05 ilustra a estrutura padrão de um robô de configuração SCARA, que possui quatro graus de liberdade, sendo três deles para posicionar o punho (eixos, e ) e um para orientar a garra (ou ferramenta). A Figura 2.05 também mostra o sistema de coordenadas global, representado pelos eixos, e. 9

10 Figura 2.05: Estrutura padrão da configuração SCARA (adaptado de Gorgulho, 2003). O elo (link) representado na cor laranja é a base do robô e é fixada ao local de trabalho. O elo roxo é ligado à base por uma junta rotacional centrada no eixo. O elo vermelho é ligado ao elo roxo por uma outra junta rotacional. Estas duas primeiras juntas permitem o posicionamento do punho no plano. O último elo possui em sua parte inferior o punho, e está representado em amarelo. A junta entre os elos vermelho e amarelo é, na realidade, dupla. O elo amarelo desliza verticalmente em relação ao elo vermelho, permitindo o posicionamento do punho no eixo, e também gira em seu próprio eixo possibilitando a orientação do dispositivo que será fixado ao punho (esse movimento é denominado de roll). A configuração descrita é a mais usual, mas há variantes. Há modelos onde o movimento vertical (eixo ) é realizado pelo primeiro elo e não pelo último. [Gorgulho, 2003] As características dos robôs SCARA industriais foram avaliadas a partir de modelos de robôs de grandes fabricantes, conforme lista a seguir: EPSON ROBOTS < > KUKA ROBOTICS < ADEPT < > TOSHIBA MACHINE < SÄUBLI < Praticamente todos os braços robóticos SCARA de grandes fabricantes analisados possuem dois braços articulados, destoam algumas poucas exceções como versões da MITSUBISHI. Essa constatação é verdadeira para protótipos sem 10

11 fins de venda. O uso de dois braços resulta da necessidade de o robô ocupar pouco espaço e possuir baixo momento de inércia com o intuito de otimizar a eficiência, sem, contudo, reduzir sua área de atuação. Em versões acadêmicas, ainda há a vantagem da redução de complicações com o controle do dispositivo. A dimensão de cada braço pode varia bastante entre cada fabricante. O primeiro braço, que sai da base, pode ir de 120 mm, para o E2C251 da EPSON, até 500 mm para o E2L85, também da EPSON. Em relação ao segundo braço a variação de comprimento também é expressiva, indo de 125 mm para o E2C251 até 375 mm para o Cobra s800 da ADEPT. Robôs SCARA industriais de grandes fabricantes como a EPSON, KUKA e ADEPT possuem uma estrutura metálica com superfície externa de plástico rígido. A base do robô é um cilindro rígido e engastado ao solo. Porém, é possível encontrar modelos da EPSON que podem ser fixos tanto no teto como na parede o que facilita linhas de montagem com muitos dispositivos. Tanto a EPSON como a ADEPT fabricam modelos com cabos de controle que passam por cima dos braços do robô para se comunicar com o efetuador. Já a KUKA faz o cabeamento por dentro das juntas de rotação o que economiza espaço e reduz chance de enroscamento com outros componentes em linhas de montagem, por exemplo. (a) (b) Figura 2.06: (a) Estrutura do robô SCARA mais compacto da KUKA (disponível em < (b) Estrutura típica de SCARA da EPSON e ADEPT (disponível em < 11

12 A estrutura dos robôs SCARA usualmente pesa de 900N até 6000N, conforme sua capacidade de carga. Para aplicações específicas, encontra-se robôs SCARA que possuem massa de 500kg, conforme Figura 2.07: Figura 2.07: Robô SCARA da TOSHIBA MACHINE para manuseio de peças pesadas (disponível em < Sistemas de transmissão mecânica Há dois tipos de transmissão de forças e momentos nos atuadores para os elos ou as juntas, são elas: Transmissão por acionamento direto: a transmissão é feita diretamente do atuador para as juntas e/ou elos sem a presença de mecanismos. Neste tipo de transmissão o atuador fornece alto valor de força e velocidade igual à de trabalho. Transmissão por acionamento indireto: a transmissão é feita através de mecanismos redutores de movimento. É muito usado em motores elétricos pois a característica dos mesmo é possuir rotação elevada e torque baixo. Nos robôs SCARA industriais usualmente são utilizados sistemas de transmissão por acionamento direto. Contudo, os dois tipos de transmissão citados podem ser aplicados, conforme a capacidade de carga do robô: nos modelos pesquisados os robôs SCARA são capazes de manipular de cargas de 2kg até 20kg. Há robôs para aplicações especiais que podem operar com objetos de até 100 kg (robô da TOSHIBA MACHINE da Figura 2.07). 12

13 2.3. Efetuadores O efetuador é o encarregado, do manuseio concreto da peça a manipular, estando o restante da estrutura do robô manipulador destinado a posicioná-lo e orientá-lo da maneira adequada. Nos robôs, o efetuador é fixado no extremo do último elo, na parte do manipulador conhecida com o nome de punho. O punho possui, em geral, três juntas de rotação, conhecidas pelos nomes de yaw, pitch e roll, respectivamente, que permitem orientar o efetuador numa direção qualquer. O robô SCARA utiliza a junta de rotação roll em seu punho. Em quase todos os robôs manipuladores SCARA comerciais, o punho está projetado para a fácil remoção e troca do dispositivo efetuador de maneira tal que para efetuar tarefas similares, que possam ser realizadas pelo mesmo manipulador, possa ser colocado o efetuador apropriado segundo as características da peça a ser manuseada. [Prazos, 2002] Geralmente, os efetuadores dos robôs SCARA são projetados para uma aplicação específica, embora também existam órgãos terminais universais, úteis para uma diversidade de tarefas. Independentemente da forma de acionamento e dos sensores presentes nos diferentes tipos de efetuadores, é possível estabelecer uma classificação segundo as diversas funções para as quais os efetuadores são projetados. Assim, os vários tipos podem ser classificados em duas categorias principais: garras e ferramentas. A seguir serão abordados ambos os tipos de efetuadores. [Prazos, 2002] Garras As garras são efetuadores destinados a pegar e segurar objetos para seu deslocamento dentro do espaço de trabalho do manipulador. Esses objetos podem ser pequenos e frágeis, como é o caso de componentes eletrônicos que são montados numa placa de circuito impresso pelo robô, ou ainda pesados e robustos como os carros que são deslocados de uma parte a outra da linha de produção de uma montadora. Em outros casos, os manipuladores podem visar ao deslocamento de objetos tais como caixas de papelão, garrafas, matérias primas e inclusive ferramentas. [Prazos, 2002] Cabe destacar que o fato da garra deslocar uma ferramenta com a qual trabalhará sobre uma peça determinada, não converte o efetuador em uma ferramenta em si, mas continua sendo uma garra que segura uma ferramenta; a vantagem de utilizar garras em vez de usar ferramentas como efetuadores (caso que será tratado na seção seguinte) se evidencia quando o serviço 13

14 exige que várias ferramentas sejam manipuladas pelo robô durante o ciclo de trabalho. Obviamente, esta solução é melhor do que empregar vários robôs com várias ferramentas diferentes como efetuadores. Há diversos princípios físicos nos quais se baseiam as garras para a operação de pegada do objeto. O mais conhecido, mas não o único, é o mecânico, onde alguns dedos se fecham para segurar o objeto a ser deslocado. Mas existem outros princípios que são utilizados. Em seguida será apresentada uma classificação dos diferentes tipos de garras segundo o princípio de trabalho utilizado, e independentemente do sistema de acionamento do efetuador. [Prazos, 2002] Dedos acionados mecanicamente As garras mais comuns possuem em geral dois ou três dedos, os quais se abrem e fecham mecanicamente. Os dedos são os apêndices da garra que fazem, de fato, contato com o objeto a manipular. Em alguns casos as garras são projetadas para ter dedos substituíveis de maneira tal a facilitar sua troca, adequando-os ao formato e tamanho da peça a ser segurada [Prazos, 2002]. Existem basicamente duas maneiras de segurar a peça na garra. A primeira é por constrição física da peça entre os dedos. Nessa abordagem os dedos envolvem a peça de forma tal a abarcar a maior superfície possível, impedindo assim o seu movimento ou queda. Para isso, deve-se projetar a superfície de contato dos dedos em forma aproximada segundo a geometria da peça. A outra maneira de segurar a peça é por atrito entre os dedos e a mesma. Nesta abordagem, bem mais comum do que a primeira, os dedos aplicam uma força suficiente para reter a peça contra a gravidade, aceleração, ou qualquer outra força que ela possa sofrer durante a aplicação. A pressão no contato deve ser suficiente para provocar um atrito que anule a gravidade e as outras forças atuantes, mas não demasiada de modo a provocar danos na peça. Para isso, os dedos ou as almofadas presas nos seus extremos são fabricados, em geral, de um material relativamente macio para não quebrar nem arranhar a peça, o qual tende a aumentar o atrito entre ela e a superfície de contato do dedo [Prazos, 2002]. Dependendo do projeto da garra, existem diversas formas de movimentar os dedos. Assim, podem-se classificar as garras com dedos segundo o movimento realizado na abertura e fechamento. Há dedos que se deslocam linearmente, aproximando-se e afastando-se em forma paralela, e também dedos que se abrem e fecham girando ao redor de um pivô, que pode ser comum para todos os dedos ou não [Prazos, 2002]. Além disso, como será mencionado na próxima seção, o 14

15 acionamento da garra para ela abrir e fechar os dedos pode ser fornecido por diversos tipos de atuadores. Dependendo do atuador utilizado, podem se classificar as garras com dedos como mecânicas, hidráulicas ou pneumáticas. As garras mecânicas são aquelas movimentadas por um motor elétrico. Em geral, são utilizados pequenos motores D.C. ou motores de passo com algum tipo de sistema de transmissão que transforme o movimento de rotação do eixo no movimento dos dedos. Os sistemas de transmissão que unem o eixo do motor com os dedos podem ser constituídos por correias e polias, correntes e engrenagens, parafusos de acionamento e cames. Com algum sensor de posição, que pode ser um encoder ótico incremental, pode-se medir o ângulo do eixo do motor, sendo assim possível controlar esse ângulo e, portanto, o nível de abertura dos dedos, em ângulo ou distância. Também podem ser colocados nas extremidades dos dedos sensores de força, células de carga, por exemplo, permitindo assim controlar a pressão exercida sobre o objeto a ser manipulado, possibilitando o manuseio de peças frágeis sem risco de serem quebradas. Esses sensores costumam ser colocados em pequenas almofadas coladas nas extremidades dos dedos. [Prazos, 2002] Na Figura 2.08 são mostradas algumas garras de dedos, típicas, movimentadas por motores: (a) (b) (c) 15

16 (d) (e) Figura 2.08: (a) Garra de dedos paralelos com engrenagem e cremalheira. (b) Garra acionada por came. (c) Garra acionada por parafuso. (d) Garra acionado por sem fim. (e) Garra de dedos paralelos movimentada por motor. (Adaptado de Prazos, 2002). Como já mencionado, existem garras acionadas pneumaticamente. Nesses casos, o mais comum é utilizar pistões de efeito simples. Uma eletroválvula que controla a passagem de ar comprimido permite que a haste do pistão seja empurrada ou puxada caso seja permitida ou não a passagem de ar. Sendo extremamente difícil controlar a posição da haste em pistões pneumáticos. (a) (b) Figura 2.09: (a) Garra movimentada por pistão pneumático de efeito simples. (b) Garra de dedos paralelos movimentados por um pistão de duplo efeito. (Adaptado de Prazos, 2002). Na figura 2.10 é apresentado um robô SCARA da KUKA Robotics com uma garra pneumática fixada no punho: 16

17 Figura 2.10: Robô SCARA da KUKA Robotics equipado com garra pneumática (disponível em < Como atuadores hidráulicos utilizam-se, em geral, pistões hidráulicos de duplo efeito. Eles são utilizados da mesma maneira que os pistões pneumáticos, com a diferença que essas garras possuem um tamanho, uma velocidade de resposta e uma força muito maiores, sendo portanto empregadas apenas para o manuseio de objetos pesados Garras a vácuo As garras a vácuo estão conformadas por copos de sucção ou ventosas, conectadas a uma bomba de vácuo através de uma eletroválvula. Quando a eletroválvula é acionada, o ar é puxado pela bomba, criando um vazio na ventosa que, dessa maneira, adere à peça em contato. Os requisitos usuais que devem observar os objetos a serem manuseados é que devem ser planos, lisos e limpos, condição necessária para formar um vácuo satisfatório entre o objeto e as ventosas. [Prazos, 2002] O peso que a garra a vácuo pode transportar depende da pressão exercida pela bomba de vácuo e da superfície da ventosa. Em certos casos, por exemplo quando grandes pranchas precisam ser transportadas, é comum que o efetuador esteja conformado por uma garra de várias ventosas, aumentando assim a área de contato. [Prazos, 2002] 17

18 Entre as vantagens apresentadas pelas garras a vácuo, podem ser mencionadas que exigem apenas uma superfície para pegar a peça, fazendo-as adequadas para pegar lâminas de vidro ou metal, por exemplo; seu peso relativamente reduzido, pelo menos se as comparado com as garras mecânicas com dedos; e finalmente, pode-se apontar que são aplicáveis a uma grande quantidade de materiais. A desvantagem óbvia é que só podem ser utilizadas em objetos que apresentem uma superfície plana, além de terem uma área maior que a área das ventosas, o que provoca que as garras a vácuo sejam inadequadas para a manipulação de objetos muito pequenos ou com formas irregulares. [Prazos, 2002] A Figura 2.11 apresenta exemplo de garra a vácuo: Figura 2.11: Robô SCARA da Stäubli equipado com ventosa (disponível em < Eletroímãs e garras magnéticas As garras magnéticas têm um formato similar às garras a vácuo, com a diferença óbvia que no lugar de ventosas possuem eletroímãs ou ainda ímãs permanentes. As garras magnéticas representam um meio muito razoável de manipulação de materiais ferromagnéticos. Inclusive, dependendo da potência do manipulador, é possível carregar objetos tão pesados como carros. Os objetos a serem transportados, também neste caso, devem apresentar pelo menos uma superfície plana onde o ímã poderá fazer contato físico. [Prazos, 2002] Algumas vantagens apresentadas pelo uso de eletroímãs são [Prazos, 2002]: o tempo de atuação é muito pequeno; 18

19 pequenas variações no tamanho da peça geralmente são perfeitamente toleradas; estas garras são, em geral, projetadas para diversos tipos de peças, sendo, portanto, mais universais do que as garras a vácuo; elas têm capacidade de manusear peças metálicas com furos (o que não é possível fazer com garras a vácuo); e com relação às garras de dedos, também têm a vantagem que precisam apenas uma superfície de contato para pegar peça. A grande desvantagem, naturalmente, é que só servem para manipular objetos de material ferromagnético. Algumas garras magnéticas são fabricadas com ímãs permanentes. Quando é necessário soltar a peça, um pistão pneumático a empurra até afastá-la da zona de atração do campo magnético. Este método só é utilizado para o manuseio de objetos relativamente pequenos e duros, por exemplo placas de aço (Figura 2.12). Figura 2.12: Garra magnética com imãs permanentes e pistões separadores (adaptado de Prazos, 2002) Ganchos Em muitas aplicações onde é preciso transportar volumes pesados, tais como grandes pacotes, móveis, máquinas e outros tipos de cargas pesadas em geral, as garras estudadas até agora podem mostrar-se inadequadas. Em alguns casos pode ser devido à forma irregular da peça, o que elimina a possibilidade de usar garras a vácuo. Em outros casos, o material da peça pode não ser ferromagnético, o que elimina as garras magnéticas. O peso dela pode inviabilizar o uso de delicadas garras de dedos mecânicas, entre outros motivos possíveis. Um gancho semelhante aos utilizados nos guindastes, sempre assumindo que a estrutura restante do manipulador possui a força suficiente, resolve a situação. [Prazos, 2002] 19

20 A vantagem deste sistema é a sua versatilidade, devido ao fato de não ser preciso trocar o efetuador ao se mudar a peça a ser transportada. Uma desvantagem evidente é que a peça precisa ter algum ponto onde o gancho possa pegá-la, por exemplo uma amarra. Outra grande desvantagem deste sistema é que só serve para transporte, mas não para o manuseio da peça de um jeito mais complicado, por exemplo, orientando-a de maneira adequada para ser depositada no destino numa posição determinada. [Prazos, 2002] Garras adesivas: As garras adesivas utilizam como princípio de pegada do objeto uma substância adesiva. Sua aplicação principal é na manipulação de tecidos e outros materiais leves que dificilmente poderiam ser carregados utilizando outros tipos de garras, seja por não apresentarem uma superfície lisa o suficiente para serem pegas por garras a vácuo, ou por não serem feitas de materiais ferromagnéticos, entre outras razões possíveis. Uma das limitações do emprego das garras adesivas é que elas perdem sua adesividade pelo uso repetido, diminuindo sua confiabilidade como dispositivo de pega com cada ciclo sucessivo de operação. Para contornar esta limitação, em geral projetam-se essas garras como uma fita contínua sobre a qual é depositado o material adesivo. Essa fita vai sendo enrolada a cada operação, exatamente como acontece com as fitas de tinta das máquinas de escrever. O dispositivo que sustenta essa fita e o mecanismo para enrolar ficam presos no punho do manipulador. [Prazos, 2002] Ferramentas Como já mencionado, em algumas aplicações existe a necessidade de operar sobre uma determinada peça, aumentando o valor agregado dela. Nesses casos, podem ser utilizadas ferramentas de trabalho como dispositivos efetuadores, onde o manipulador desloca tal ferramenta no lugar da peça a ser trabalhada, agora presa em um local fixo. Em alguns casos utiliza-se algum tipo de garra para as operações de pega e manipulação da ferramenta, com a conseqüente vantagem de permitir a utilização de mais de uma ferramenta específica durante o ciclo de trabalho. A utilização de uma garra possibilita a troca das ferramentas, o que facilita o manuseio e a troca rápida de várias delas. [Prazos, 2002] Na maioria das aplicações dos robôs SCARA nas quais se utiliza uma ferramenta como efetuador, ela é presa diretamente no punho do manipulador. Nesses casos a ferramenta é o próprio efetuador, o órgão terminal destinado a trabalhar sobre 20

21 a peça. Contudo, usualmente o robô SCARA não é utilizado com ferramenta, mas sim com uma garra para manipular objetos. [Prazos, 2002] 2.4. Acionamentos e medição O movimento em cada junta é realizado por atuadores. Existem diversas opções de acionamentos que visam dotar um mecanismo de movimento. Podem ser usados motores, solenóides, sistemas hidráulicos ou pneumáticos. [Braga, 2009] Cada tipo de acionamento de um robô possui características específicas, que podem significar vantagens e também desvantagens nas aplicações. Para compreender que tipo de solução deve ser adotada em um projeto é necessário estar atento justamente a estas propriedades, que serão analisadas na sequência. No que se refere aos tipos comuns de soluções adotadas para se prover um mecanismo de movimento, são apresentados nos casos a seguir Sistema hidráulico Para os sistemas hidráulicos, pode-se citar: Vantagens: obtém-se a maior potência de todos os sistemas descritos em relação ao tamanho. Através de alta pressão, consegue-se operação do dispositivo com alta velocidade de resposta. [Braga, 2009] Desvantagens: as válvulas usadas são caras, e qualquer pequeno vazamento pode causar problemas de funcionamento. A vedação do sistema pode ser crítica, dependendo da aplicação. Da mesma forma, acionadores pequenos são difíceis de se obter e de se trabalhar. O sistema para pressurizar o fluido é complexo e caro em alguns casos. [Braga, 2009] O acionamento hidráulico é geralmente associado a manipuladores de maior porte, pois eles propiciam ao robô maior velocidade e força. Em contrapartida, ele se soma ao espaço útil requerido pelo robô, o que o aumenta consideravelmente, além de sofrer de outros inconvenientes tal como a possibilidade de vazar óleo. Os robôs com acionamento hidráulico podem ter juntas prismáticas, movimentadas por meio de pistões, ou de revolução, através de motores hidráulicos. [Prazos, 2002] Sistema pneumático Para os sistemas pneumáticos, pode-se citar: 21

22 Vantagens: pode-se obter uma boa potência em relação ao tamanho, e se alta pressão for disponível, tem-se uma resposta muito rápida aos comandos. [Braga, 2009] Desvantagens: devido ao fato dos gases poderem ser comprimidos, há certa instabilidade de funcionamento. Exige-se um compressor ou então um sistema que armazene o gás pressurizado, a qual não pode estar disponível por muito tempo. Do mesmo modo que nos sistemas hidráulicos, o sistema é sensível ao escape (fugas), tornando-se crítica sua montagem. [Braga, 2009] O acionamento pneumático é empregado em robôs manipuladores de pequeno porte e com poucos graus de liberdade, geralmente não mais de dois. Por não terem os pistões pneumáticos uma grande precisão, devido à compressibilidade do ar, esses robôs assim acionados são utilizados em operações de pega e põe (conhecidos como pick & place), onde os elos se deslocam bruscamente entre dois extremos possíveis, dados pelos limites mecânicos dos pistões no modo de bang-bang, sem possibilidade de controle sobre a trajetória intermédia do efetuador. [Prazos, 2002] Motores elétricos de corrente contínua Para os motores elétricos de corrente contínua, pode-se citar: Vantagens: não precisam de nenhum recurso mecânico adicional como válvulas ou tubulações. São simples de usar, pois basta ter um circuito de controle apropriado. Podem ser interfaceados diretamente com microcontroladores. São encontrados numa grande variedade de tamanhos, tensões de alimentação e potências. [Braga, 2009] Desvantagens: são pesados em relação a outros sistemas de propulsão e precisam de uma potência elevada para funcionar. Apresentam problemas de aquecimento e necessitam de sistemas de redução com engrenagens e outros recursos. Os sistemas de redução são igualmente pesados e em alguns casos caros. Dependendo da potência, podem também gerar calor. [Braga, 2009] Motor de passo Para os motores de passo, pode-se citar: Vantagens: são relativamente pequenos, precisos e não necessitam de elementos adicionais. Podem ser interfaceados diretamente com os circuitos de controle como, por exemplo, computadores. Seu uso é relativamente 22

23 simples quando não se exigem movimentos complexos. Podem ser obtidos em uma grande variedade de tamanhos e potências. [Braga, 2009] Desvantagens: possuem uma potência muito baixa. Para se obter maior potência precisam ser acoplados a caixas de redução. Requerem circuitos de controle que, em alguns casos, podem ser bastante complexos em função do movimento desejado. [Braga, 2009] Servomotores Para os servomotores, pode-se citar: Vantagens: são pequenos e têm um custo mais expressivo. Em alguns casos, os controladores também são simples e baratos. Não necessitam de recursos especiais como reduções. [Braga, 2009] Desvantagens: possuem uma potência muito baixa e são lentos, quando comparados aos motores de passo ou sistemas pneumáticos. [Braga, 2009] Atuadores lineares Para os atuadores lineares, pode-se citar: Vantagens: são muito fortes, podendo realizar esforços grandes. São simples de usar, pois basta ter a alimentação elétrica apropriada. Podem facilmente ser acoplados a controles por microprocessadores ou mesmo computadores. [Braga, 2009] Desvantagens: na maioria dos casos são grandes demais para utilização em sistemas que exigem dispositivos pequenos como, por exemplo, robôs móveis. Não são simples de se obter e custam caro. Em alguns casos devem ser fabricados pelo próprio montador. [Braga, 2009] A grande maioria dos braços articulados robôs SCARA é acionada por meio de servomotores elétricos, conforme pesquisa realizada nos maiores fabricantes de robôs industriais. O acionamento elétrico, ao contrário do pneumático ou hidráulico, é mais facilmente controlável e oferece maior precisão de posicionamento. Os robôs podem apresentar vários movimentos, sendo que cada um é realizado por meio de um servomotor elétrico. 23

24 O princípio de acionamento do efetuador pode ser diferente do tipo de acionamento dos braços articulados, pois o mesmo é implementado para o manuseio adequado da peça a manipular. Por exemplo, um efetuador pode consistir de uma garra de três dedos que se fecham sobre o objeto. Nesse caso, o movimento dos dedos pode ser originado através de um motor elétrico, onde são utilizados, em geral, pequenos motores D.C. de ímã permanente ou motores de passo. A rotação do eixo do motor é transmitida e convertida em deslocamentos dos dedos através de mecanismos que podem ser parafusos de acionamento, sistemas de polias ou trens de engrenagens. Nesses casos é possível controlar a abertura dos dedos de maneira tal a poder segurar objetos de diferentes dimensões e formas eficientemente, dentro dos limites lógicos dados pelo tamanho do efetuador. Em outros casos, o deslocamento dos dedos é implementado por meio de pistões pneumáticos. Em geral, é muito difícil controlar a posição da haste nesses dispositivos devido a que, por ser o ar compressível, não existe a possibilidade de um controle simples e eficiente da posição da haste do pistão. [Prazos, 2002] Por tal motivo, esses efetuadores funcionam à maneira de bang-bang, isto é, possuem apenas duas posições dos dedos, abertos e fechados, determinadas pelos limites mecânicos da haste do pistão. [Prazos, 2002] Outros princípios de acionamento para efetuadores incluem eletroímãs, ventosas a vácuo, pistões hidráulicos, entre outros. Conforme pesquisa realizada nos maiores fabricantes de robôs industriais, O posicionamento dos robôs SCARA é medido através de encoders acoplados ao servomotor que por sua vez está acoplado ao sistema de transmissão. O encoder é um sensor que converte um movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos, fornecendo para o controlador dados suficientes para transformá-los em posição, velocidade ou rotação. [Matias, 2003] A resolução do encoder varia de modelo a modelo do robô SCARA e é um fator determinante para a precisão e repetilidade do robô. A conversão desses movimentos em pulsos elétricos é feita através da detecção fotoelétrica, onde uma série de pulsos são gerados pela passagem da luz em um disco opaco, com várias aberturas transparentes. O receptor detecta a luz enviada pelo emissor e também a falta de luz, gerando assim os pulsos digitais (0 e 1). Existem dois tipos de encoders chamados de encoders incrementais e absolutos [Matias, 2003], sendo que o último é mais utilizado nos robôs SCARA industriais. Em diversas aplicações o controlador precisa conhecer algumas grandezas físicas que dizem respeito ao ambiente ou ao objeto a ser manipulado. Por exemplo, 24

25 para o manuseio de objetos frágeis, é necessário controlar não apenas a abertura dos dedos da garra como também a força que eles exercem sobre o objeto segurado. Nesses casos, os efetuadores possuem algum tipo de sensores de força, em geral strain gauges, nas extremidades dos seus dedos, e algum sensor de posição, em geral encoders óticos incrementais, solidários com o eixo do motor de acionamento. Em outras situações é necessário medir a força exercida sobre algum objeto do ambiente. Em tais situações a força a ser medida é a que o último elo imprime sobre a superfície onde se apoia o objeto ou ferramenta, e para isso são utilizados strain gauges no punho do manipulador, que informam ao controlador não apenas sobre a intensidade da força exercida, mas também sobre sua orientação de maneira tal a poder orientar o efetuador perpendicularmente à superfície e exercendo a força adequada. Outros sensores utilizados em efetuadores podem ser sistemas de visão digitais inseridos neles, que permitirão ao controlador posicioná-lo e orientá-lo de maneira adequada segundo a orientação do objeto a ser manipulado, analisando a imagem fornecida pela câmera. [Prazos, 2002] 2.5. Controle e Interface O controlador é composto de circuitos eletrônicos utilizados para controlar o manipulador e equipamentos periféricos, como motores elétricos, circuitos de sinalização, etc. Cada controlador é fornecido juntamente com o manipulador, não podendo ser usado com outro tipo. Não deve ser colocado ou operado em ambientes explosivos e obedece aos padrões de proteção IEC-529, sendo o circuito controlador IP54 aquele que tem proteção contra poeiras e pequenas quantidades de água. A temperatura ambiente de trabalho é entre +5 C e +70 C e a fonte de alimentação com tensão de rede típica entre 200 e 600, com condutor de aterramento. [Moura, 2004] O controle é feito por uma unidade de controle principal e duas unidades secundárias: o controlador dos eixos e o controlador de entradas e saídas (Figura 2.13). O controlador dos eixos, obedecendo ao programa que roda no computador principal, calcula os movimentos de cada eixo para executar o movimento programado, ajustando a velocidade, tipo de movimento e coordenadas dos pontos. O cálculo dos movimentos é feito comparando os dados dos resolvers de cada eixo às coordenadas do ponto programado. [Moura, 2004] 25

26 Figura 2.13 Estrutura do controlador (adaptado de Moura, 2004) A placa de monitoramento de posição possui alimentação de reserva através de uma bateria para que as informações de voltas não sejam perdidas durante uma falha de energia [Moura, 2004]. No caso de falta de energia, quando esta for restabelecida, o computador dos eixos consulta estes dados. O computador de entradas e saídas tem uma função parecida com um CLP, ele lê as entradas de sensores analógicos ou digitais e atua as saídas, quando ordenado pelo programa. Desta forma, permite comunicação com equipamentos externos através de entradas e saídas digitais e sinais analógicos. Também são encontrados opcionais para comunicação em redes industriais tipo ASI ou Profibus, por exemplo, que também são controladas pelo computador de entradas e saídas. [Moura, 2004] Os controladores possuem dois tipos de memória, uma memória RAM utilizada como memória de trabalho e uma memória de disco rígido, usada como memória de massa para armazenar o sistema operacional e programas de usuário. Também há a possibilidade de armazenar programas e configurações do robô em discos rígidos portáteis. A memória RAM é empregada na execução do software de sistema e dos programas do usuário. No disco rígido estão os dados de inicialização (boot), uma área de dados específicos do sistema, uma área de memória do usuário que pode ser usada para armazenamento de programas, dados, registros, etc. [Moura, 2004] Como já visto anteriormente, o controlador cuida, através do programa de controle, para que o manipulador realize a tarefa programada com a maior precisão possível dentro das especificações técnicas. Em caso do robô ser movimentado por motores de passo, ele pode ser controlado em malha aberta, por possuírem esses dispositivos precisão na rotação. Mas se for acionado por motores de corrente contínua, é necessário fechar a malha através de sensores, porque o controlador precisa conhecer a resposta do manipulador a fim de imprimir nos motores os sinais de excitação necessários para executar a trajetória com precisão. Os sensores 26

27 utilizados são sensores de posição, um para cada junta. Os mais comuns são os encoders óticos incrementais, onde o controlador vai contando os pulsos entregues pelo sensor ótico para conhecer a posição da junta. Às vezes são empregados potenciômetros rotativos também, onde o sinal analógico entregue é proporcional ao ângulo de rotação da junta. Na hipótese da junta ser prismática, uma engrenagem pode converter o movimento linear para uma rotação e assim entregar a informação para um encoder. Também podem ser usados sistemas de visão digitais, pois analisando a imagem fornecida, o controlador pode conhecer a posição de todas as juntas do braço. [Prazos, 2002] A Figura 2.14 ilustra um controlador de robô SCARA industrial: Figura 2.14: Controlador TS3100 dos robôs SCARA da TOSHIBA MACHINE (disponível em < A interface com o usuário ocorre de duas maneiras: localmente, ou seja, próximo ao controlador ou remotamente através de protocolos indústrias interligando o controlador a um sistema de supervisão de controle em um PC. A Figura 2.15 apresenta o painel de controle local do robô SCARA IBM 7535: Figura 2.15: Painel de controle do robô SCARA IBM 7535 (adaptado de Gorgulho, 2003). 27

28 Os grandes fabricantes de robôs SCARA não oferecem informações precisas a respeito do controlador e da interface de seus robôs. Apenas informações genéricas que forma colocadas anteriormente no texto. Isso acontece pois o controlador e a interface geralmente são os diferenciais de cada fabricante, sendo um dos fatores determinantes para, por exemplo, a velocidade de atuação e precisão do robô. Portanto, o controlador e a interface são equipamentos dedicados a cada robô, sendo uma verdadeira caixa-preta. 28

29 3. METODOLOGIA A Metodologia empregada no Projeto Conceitual implica realizar uma avaliação sobre as alternativas existentes que satisfaçam as especificações do produto. Essas especificações foram geradas com a metodologia do projeto informacional, anterior ao apresentado nesse momento. As alternativas existentes são o resultado da pesquisa sobre projetos, produtos e soluções já criados e analisados na revisão bibliográfica. Com a avaliação dessas opções, será possível ter um conceito sobre como deve ser o braço robótico SCARA a ser projetado. Assim, o projeto conceitual envolve duas fases de trabalho metódicas principais: análise, decomposição do projeto do robô SCARA que determina o estabelecimento de estruturas funcionais e síntese, composição de funções através dos princípios de solução que realizem a estrutura funcional Análise Nesta seção serão analisadas as especificações e identificadas as restrições do projeto, a partir do projeto informacional. Além disso, será elaborada a estrutura funcional do robô SCARA considerando sua função global Escopo do projeto A elaboração do conceito passa por uma elaboração do mapa conceitual do braço robótico. Com isso, é possível estabelecer estruturas de funções de dispositivos. Para isso, se estuda a rede semântica de conceitos associados ao projeto informacional. Dessa forma, é feita uma análise do escopo do projeto de acordo especificações vindas do projeto informacional. Finalmente, se estabelece o mapa conceitual do robô SCARA. No projeto informacional, realizado, estudou-se o problema de projetar um robô SCARA com fins didáticos. Para tanto, detalhou-se o problema e criaram-se especificações técnicas sobre a estrutura geral do robô. Após, obteviram-se as especificações do projeto. Naquela fase, foram utilizados conceitos como interface, controlador, efetuadores, juntas, acionadores, transmissão, entre outros. Resumidamente, o robô deverá ser de pequeno porte, para transporte de cargas pequenas, utilizar atuadores com motores elétricos de pouca potência e precisos. Sua estrutura deve ser composta por um material leve, rígido, durável e de fácil acesso e operação. Seu modo de controle é aconselhado a ser de fácil interface com unidade 29

30 de controle e flexível para novas instruções e modos de operação futuros. Exemplos numéricos das grandezas, são apresentados na tabela a seguir (Tabela 3.01): Especificações do produto Requisitos do projeto Valor (aproximado) Dimensões 500x150x500 mm (CxLxA) Raio de alcance 350 mm Posição de montagem Bancada Grau de liberdade 3 graus de liberdade Movimentos Translação e rotação Direções Horizontal e vertical Velocidade 5 cm/s de translação e 120 º/s de rotação Carga 0,2 kgf Fonte de alimentação 24 Vcc/4 A Potência dos motores 100 W Materiais Polímero rígido Sinais Digitais e analógicos com modulação PWM Automação CLP compacto Controle Malha aberta Tabela 3.01: Especificações do produto Com isso, é possível gerar o mapa apresentado na figura 3.01: 30

31 Figura 3.01: Mapa conceitual do braço robótico SCARA Estrutura funcional É um fato que a solução de problemas técnicos é satisfeita com o auxílio de estruturas técnicas. A idéia da criação de uma estrutura funcional é entender objetos ou estruturas como sistemas em contato com a circunvizinhança por meio de variáveis de entrada e de saída, que podem ser sinais, energia, materiais, etc. Quem aponta para essas relações é o mapa conceitual, realizado na etapa anterior. Para o projeto conceitual do braço robótico tipo SCARA, o diagrama da estrutura funcional fica como apresentado na figura a seguir (Figura 3.02). Como pode-se perceber, deverá haver uma entrada de sinal que possibilite ao dispositivo saber para qual posição levar a garra. A unidade de controle deverá escolher qual a 31

32 trajatória a ser seguida com essa ordem. Em seguida, haverá a interface do sinal de controle com o movimento propriamente dito, o que será feito por meio de motores elétricos, os quais geram movimento em juntas. Após um tempo conhecido pelo controle, suficiente para que o garra chegue a um objeto, a CPU deverá acionar a garra com o intuito de tomar alguma ação sobre o objeto. Para transportá-lo, o controle deve, na sequencia informar novas ordens de controle para os atuadores de juntas. Finalmente, após certo tempo a garra deve ser liberada, no intuito de concluir a missão, ou seja, atingir a posição final com o objeto Figura 3.02: Diagrama da estrutura funcional do braço robótico SCARA 3.2. Síntese A partir da pesquisa bibliográfica realizada e análise de técnicas existentes, é possível selecionar as soluções para a confecção do robô SCARA. O material primário da estrutura (base e elos) será o alumínio, tendo em vista sua baixa densidade, acabamento satisfatório e facilidade de acesso. Para juntas será utilizado o próprio eixo do acionador. Os acionadores que utilizam energia elétrica como fonte de energia são de fácil acesso nos laboratórios da UFRGS. Portanto, os motores de passo serão utilizados como acionadores do robô SCARA, pois são mais baratos que o servo motor e possuem uma precisão satisfatória para a aplicação. O custo é o fator fundamental que define a escolha entre motores de passo e servomotor. Novamente levando em consideração o custo, a fonte de energia do efetuador será a mesma utilizada pelos acionadores, ou seja, energia elétrica. Desta maneira, será utilizada a garra magnética já que não há restrição quanto a tipo de material que será transportado, bem como o robô será utilizado para transportar cargas leves (0,2 kgf.). 32

33 A partir destas definições, é possível elaborar um protótipo do braço articulado e com efetuador do robô SCARA, conforme é mostrado na Figura 3.03: Figura 3.03: Protótipo braço articulado com efetuador do robô SCARA. Quanto ao controlador, será utilizado um Controlador Lógico Programável que é um equipamento conhecido pelos estudantes do curso de Engenharia de Controle e Automação da UFRGS e tem recursos para realizar o controle do robô SCARA. Já a interface, será utilizado através de um computador equipado com algum software SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), tal como o Elipse SCADA, fabricado pela Elipse Softwares. A Figura 3.04 ilustra o robô SCARA formado pelo braço articulado com efetuador, o controlador lógico programável e a interface: 33