Unidade 1 Introdução. 1.1 Robôs industriais

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1 Unidade 1 Introdução O escritor checo Karel Čapek introduziu a palavra "Robô" em sua peça "R.U.R" (Rossuum's Universal Robots) en O termo "Robô" vem da palavra checa "robota", que significa "trabalho forçado". A palavra robótica foi utilizada pela primeira vez na história de ficção científica escrita por Isaac Asimov em Robótica refere-se à ciência ou estudo da tecnologia associado com o projeto, fabricação, teoria e aplicação dos robôs. Asimov, também enunciou as famosas leis da robótica: 1ª lei: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal. 2ª lei: Um robô deve obedecer as ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos em que tais ordens contrariem a Primeira Lei. 3ª lei: Um robô deve proteger sua própria existência desde que tal proteção não entre em conflito com a Primeira e Segunda Leis. Posteriormente, acrescentou-se a Lei 0) Um robô não deve fazer mal à humanidade, ou, permanecer passivo em uma situação que prejudique a humanidade. Quando se pensa em um robô, naturalmente nos vem em mente uma forma humanóide, provavelmente devido aos filmes de ficção científica, como por exemplo, os robôs da série Guerra nas Estrelas, ou aos atuais robôs humanóides, como o Asimov da Honda.. Isto talvez explique a grande fascinação que a palavra robótica desperta na maioria das pessoas. Contudo, os robôs industriais são bem diferentes. 1.1 Robôs industriais Segundo a definição do RIA (Robotics Industries Association), um robô industrial é 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. Já na ISO 10218, um robô é definido como 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 (Romano, 2002). Em algumas situações, se determinada máquina é um robô ou não é discutível. Em Craig (2005), o autor cita que muitas máquinas automáticas que entram nas estatísticas do número de robôs instalados por ano no Japão, não são consideradas como robôs por outros países. O número de robôs instalados vem aumentando, devido ao menor custo de fabricação e ao aumento do número de tarefas que eles podem realizar. Assim, os serem humanos vêm sendo substituídos em várias atividades por robôs, por diversas razões, dentre as quais podemos citar: - diminuição de custos e aumento da produtividade; - melhor precisão nas tarefas; - atividades de riscos e insalubres. O estudo de robótica é um estudo amplo e envolve várias áreas do conhecimento, tais como: mecânica, teoria de controle, instrumentação, eletrônica, computação, dentre outras. Notas de aula 1

2 1.2 Componentes de um robô Um manipulador é composto de elos interligados entre si através de juntas. Essas juntas são acionadas por atuadores, os quais são comandados por um sistema de controle que recebe informações provenientes de sensores e toma decisões de acordo com a trajetória que o manipulador deve seguir Juntas Os dois tipos básicos de junta mais utilizados em robótica são a junta prismática (translação) ou a junta rotacional (revolução). Um terceiro tipo de junta é citado por Rosário (2005) como bola-e-encaixe, conexão que se comporta como uma combinação de três juntas de rotação, permitindo movimentos de rotação em torno dos três eixos. O número de graus de liberdade que um manipulador possui é o número de variáveis de posição independentes que teriam que ser especificadas para localizar todas as partes do mecanismo. Este é um termo geral usado para qualquer mecanismo. No caso de robôs industriais típicos, como um manipulador é geralmente uma cadeia cinemática aberta, e como cada junta é geralmente definida com uma única variável, o número de juntas é igual ao número de graus de liberdade (Craig, 2005). Geometria dos robôs - Robô de coordenadas cartesianas (PPP) - Robô de coordenadas cilíndricas (RPP) - Robô de coordenadas polares (esféricas) (RRP) - Robô de coordenadas de revolução (articulado) (RRR) ROBÔ PUMA Programmable Universal Machine for Assembly um dos projetos mais populares de robôs articulados, foi projetado inicialmente para atender aos requerimentos da indústria automobilística (Rosário, 2005). Possui três juntas de revolução. ROBÔ SCARA Selectively Compliant Assembly Robot Arm Possui duas juntas de revolução e uma deslizante. Embora na configuração sejam encontrados tipos de junta idênticos aos de uma configuração esférica, ela se diferencia da esférica tanto pela aparência como pela faixa de aplicação (Rosário, 2005) Elos A rigidez de um elo aos esforços de flexão e torção depende do tipo de material empregado na sua fabricação. Os materiais mais empregados nas estruturas são alumínio e aço Sistemas de Transmissão Muitas vezes ao invés do acionamento direto de uma junta, utiliza-se um acionamento indireto através de sistemas de transmissão de potência mecânica, como por exemplo, as engrenagens, correias, polias, etc Atuadores O acionamento de cada junta é feito através de um atuador, que pode ser elétrico, hidráulico ou pneumático. Os atuadores hidráulicos possuem torque e velocidade de resposta sendo adequados para atuar sobre cargas pesadas. No entanto, requerem equipamentos periféricos, como bombas, o que 2 Notas de aula

3 implica na necessidade de manutenção freqüente, além de gerar grande ruído. Os atuadores pneumáticos são mais baratos e simples, mas não podem ser controlados com precisão (Rosário, 2005). Atualmente os motores elétricos são os mais utilizados em robótica Sensores Os sensores são utilizados para fornecer ao sistema os parâmetros sobre o comportamento do manipulador Unidade de Controle Responde pelo gerenciamento e monitoração dos parâmetros operacionais requeridos para realizar as tarefas do robô Unidade de Potência É a responsável pelo fornecimento de potência necessário à movimentação dos atuadores Efetuador final O efetuador final, como o próprio nome diz, é o elemento responsável pela execução da tarefa e, pode ser do tipo garra, ou pode ser uma ferramenta. 1.3 Resolução, repetibilidade e precisão Resolução A resolução espacial de um robô é o menor incremento de movimento em que o robô pode dividir seu volume de trabalho. A resolução espacial depende de dois fatores: a resolução do controle do sistema e as imprecisões mecânicas do robô (Groover et al., 1989) Precisão A precisão refere-se a capacidade de um robô de posicionar a extremidade de seu punho num ponto-meta desejado dentro do volume de trabalho e pode ser definida em termos de resolução espacial, porque a capacidade de atingir um dado ponto-meta depende de quão proximamente o robô pode definir os incrementos de controle para cada um dos movimentos de suas juntas (Groover et al., 1989) Repetibilidade A repetibilidade refere-se à capacidade do robô de retornar ao ponto programado quando comandado (Groover et al., 1989). 1.4 Sistemas de controle O controle dos atuadores dos robôs em geral é efetuado mediante o uso de dois métodos: servocontrolado ou não servocontrolado. Os robôs não servocontrolados utilizam chaves mecânicas no final do curso de cada junta (limit switches), de modo que só é possível ao controlador saber quando o atuador está em uma das duas posições iniciando ou finalizando o seu movimento. O posicionamento de cada eixo é controlado por paradas mecânicas ajustáveis, e não pelo controlador. Esse tipo de robô é de baixo custo e capaz de realizar tarefas de seqüência fixa ou variável, como pegar objetos e colocá-los em um lugar determinado (pick and place) (Rosário, 2005). Notas de aula 3

4 Por outro lado, os robôs servocontrolados, ao utilizarem sensores internos (ou proprioceptivos), 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-se com velocidade variável e parar em qualquer posição. Esses robôs podem realizar tarefas pelo modo ensino e repetição (playback) ou por programação de alto nível (Rosário, 2005). 1.5 Sistemas de acionamento Acionamento elétrico Este tipo de acionamento utiliza motores elétricos que podem ser de corrente contínua, de passo e de corrente alternada. Muitos robôs novos têm drivers de motor de corrente contínua devido ao alto grau de precisão e simplicidade do motor elétrico. As principais vantagens desse acionamento são (Rosário, 2005): - eficiência calculada, com controle preciso; - estrutura simples e de fácil manutenção; - fonte de energia acessível; - custo relativamente pequeno. Como desvantagens, podem-se citar: - impossibilidade de manter um momento constante nas mudanças de velocidade de rotação; - possibilidade de ocorrência de danos no caso de cargas pesadas o suficiente para parar o motor Acionamento Hidráulico Em muitas aplicações onde grandes cargas necessitam ser manipuladas e o espaço disponível é limitado, atuadores hidráulicos são mais atrativos devido às suas excelentes características de relação torque/dimensão. Outras vantagens dos atuadores hidráulicos são : - velocidade de resposta com rápidas partidas, paradas e inversões de velocidade; - podem ser operados sob condições contínuas, intermitentes, de reversão e parada repentina sem avarias; - flexibilidade no projeto devido à disponibilidade tanto de atuadores lineares quanto rotativos; - pequena queda de velocidade quando cargas são aplicadas devido às baixas fugas. Como desvantagens pode-se citar: - fonte de energia cara; - manutenção cara e intensa; - válvulas de precisão caras; - possibilidade de ocorrência de vazamento de óleo; - dificuldades do ponto de vista de controle (sistema altamente não linear, difícil obtenção dos parâmetros do sistema, dinâmicas pouco amortecidas etc.). Na maioria da literatura de controle de robôs acionados eletricamente a dinâmica do atuador não é levada em conta. Atuadores hidráulicos apresentam dinâmicas pouco amortecidas. Como estas dinâmicas freqüentemente dominam o comportamento do manipulador, especial atenção para sistemas acionados hidraulicamente é necessária. Além disso, a dinâmica do sistema 4 Notas de aula

5 hidráulico contém várias não linearidades (tais como fenômenos de histerese, atrito, zona morta, saturação etc.) e variações paramétricas Acionamento Pneumático Este tipo de acionamento apresenta alto grau de precisão nas paradas, é empregado em sistemas automáticos simples, mas pouco utilizado em robôs devido à alta compressibilidade, o que reduz a habilidade de realizar controle preciso. É muito utilizado em movimento de preensão, tanto para abrir como para fechar as garras. As principais vantagens desse tipo de acionamento são: - operação em velocidades extremamente altas; - custo relativamente pequeno; - fácil manutenção; - possibilidade de manter um momento constante em uma grande faixa de valores. Dentre as principais desvantagens, constam: - ausência de alta precisão; - possibilidade de ocorrência de vibrações quando o motor ou cilindro pneumático é parado. 1.6 Aplicações de robôs manipuladores Fonte: Robotics Industry Directory 2002 Tarefa 1.1 Ler os capítulos 7 e 8 do livro Princípios de Mecatrônica (Rosário, 2005), o Capítulo 1 do livro Introduction to Robotics (Craig, 2005) e o Capítulo 1 do livro Robótica Industrial (Romano, 2002). Notas de aula 5