UNIGUAÇU UNIDADE DE ENSINO SUPERIOR VALE DO IGUAÇU FACULDADES INTEGRADAS DO VALE DO IGUAÇU PROGRAMAÇÃO PARA ENGENHARIA

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1 1 UNIGUAÇU UNIDADE DE ENSINO SUPERIOR VALE DO IGUAÇU FACULDADES INTEGRADAS DO VALE DO IGUAÇU PROGRAMAÇÃO PARA ENGENHARIA PROF. CLEVERSON BÚSSOLO KLETTENBERG E PROF RODOLFO KUSKOSKI União da Vitória 2017

2 2 SUMÁRIO 1. ROBÓTICA E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Conceitos Robótica Objetivos da robótica Tipos de robôs Classificação dos robôs Partes de um robô Programação de Robôs Robôs Industriais e não Industriais Automação Industrial Características de robôs industriais Sensores Atuadores LEGO MINDSTORMS...18

3 EMENTA PLANO DE ENSINO 1º SEMESTRE Conceito de algoritmo, partes do algoritmo, atribuição e operações, entrada e saída, estruturas de condição, estruturas de repetição, vetores, matrizes. Sub-algoritmos: Procedimentos e funções. Estudo sobre erros. Zeros de funções. Métodos numéricos de Álgebra Linear. Interpolação. Derivação e integração numérica. Aproximação de funções, ajustamento de dados. Solução numérica de equações diferenciais ordinárias. Outras aplicações. OBJETIVO GERAL Aprendizagem sobre desenvolvimento e construção de algoritmos, programação de computadores e aplicação de métodos numéricos. CONTEÚDO PROGRAMÁTICO Conteúdo 1. INTRODUÇÃO A ROBÓTICA E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Conceitos Robótica Programação de Robôs Automação industrial Sensores e Atuadores 2. PROGRAMAÇÃO EM BLOCOS COM LEGO MINDSTORMS Conhecendo o EV3 Sensores e Atuares do EV3 Programação em Bloco 3. LÓGICA DE PROGRAMAÇÃO DE COMPUTADORES Introdução a Lógica de Programação Introduções Iniciais de Programação Estruturas de Controle ATIVIDADES DISCENTES C.H. Aulas expositivas e dialogadas, aulas práticas em laboratório, exercícios de fixação, trabalho prático da disciplina PROCEDIMENTOS DE AVALIAÇÃO Trabalhos somando 3,0 pts e avaliação bimestral somando 7,0 pts BIBLIOGRAFIA BÁSICA ARENALES, S,. DAREZZO A., Cálculo Numérico Aprendizagem com Apoio de Software, Thomson Learning, FRANCO, N. B., Cálculo Numérico, 1ª.Ed., Pearson Prentice Hall, MANZANO, J. A. N. G.; OLIVEIRA, J. F. Algoritmos: lógica para desenvolvimento de programação de computadores. 23.ed. SÃO PAULO: Érica, p. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR ASCENCIO, Ana Fernanda Gomes; CAMPOS, Edilene Ap. Veneruchi de. Fundamentos da programação de computadores. São Paulo, Pretice-Hall, MANZANO, J. A. N. G.;YAMATUMI, W. Y. Programando em turbo pascal 7.0 & free pascal compiler. 9.ed. São Paulo, Érica, MANZANO, J. A. Algoritmos: lógica para desenvolvimento de programação. São Paulo, Érica,

4 2004. OLIVEIRA, Álvaro Borges de. Introdução à programação algoritmos. Florianópolis: Visual Books, p. ZIVIANI, N. Projeto de Algoritmos: com implementações em Pascal e C. São Paulo, Pioneira,

5 5 EMENTA PLANO DE ENSINO 2º SEMESTRE OBJETIVO GERAL CONTEÚDO PROGRAMÁTICO Conteúdo 1. LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO C C.H. 2. AUTOMAÇÃO COM ARDUINO UNO ATIVIDADES DISCENTES Aulas expositivas e dialogadas, aulas práticas em laboratório, exercícios de fixação, trabalho prático da disciplina PROCEDIMENTOS DE AVALIAÇÃO Trabalhos somando 3,0 pts e avaliação bimestral somando 7,0 pts BIBLIOGRAFIA BÁSICA BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR

6 1. ROBÓTICA E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL A Robótica vista como ciência, deve ser entendida como uma área do saber humano, onde a aplicação de conhecimentos agregados é fator determinante para sua existência. Dessa forma, graças à utilização de práticas e teorias oriundas de outros ramos do saber que, devido ao avanço tecnológico atual, encontram-se em constantes mutações, reforçam, seu carácter científico e educacional e, afirmam sua multidisciplinaridade Conceitos Robô: Mecanismo automático, em geral com aspecto semelhante ao de um homem, e que realiza trabalhos e movimentos humanos. (Dicionário Aurélio) A palavra Robô é derivada da palavra tcheca robota, que significa trabalhador compulsório, escravo, servo. Foi usada pela primeira vez pelo escritor tcheco Karel Capek ( ) no conto R.U.R Rossum s Universal Robots, de 1921, para designar dispositivos mecânicos que, tendo aparência humana, mas sem sentimentos humanos, realizavam tarefas automáticas, repetitivas. Nesse conto, estes robôs, eventualmente, faziam mais do que isso, destruindo seus criadores. Este tipo de robô humanoide é muito explorado na ficção científica. Hoje em dia, são as pesquisas japonesas que buscam desenvolver robôs-andróides, cada vez mais parecidos com os seres humanos, tanto do ponto de vista estético, quanto do comportamental. As assim denominadas Três Leis da Robótica são em verdade três princípios idealizados pelo escritor Isaac Asimov a fim de permitir o controle e limitar os comportamentos dos robôs que este trazia à existência em seus livros de ficção científica. As três diretivas que Asimov fez implantarem-se nos "cérebros positrônicos" dos robôs em seus livros são: 1ª Lei: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por inação, 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 entrem em conflito com a Primeira Lei. 3ª Lei: Um robô deve proteger sua própria existência desde que tal proteção não entre em conflito com a Primeira ou Segunda Leis.

7 Mais tarde Asimov acrescentou a Lei Zero, acima de todas as outras: um robô não pode causar mal à humanidade ou, por omissão, permitir que a humanidade sofra algum mal Robótica Atualmente, a maioria dos robôs em uso está muito próxima de um dispositivo chamado manipulador, que consiste em um braço mecânico controlado por uma pessoa ou automaticamente. Aqui, abordaremos os robôs de uso industrial, utilizados na automação de tarefas comuns ao chão de fábrica, cujo surgimento e utilização se deveu à integração de dispositivos eletromecânicos de alta precisão com dispositivos eletrônicos de controle altamente miniaturizados. Talvez, o primeiro robô digno deste nome tenha sido o modelo experimental SHAKEY do Instituto de Pesquisas de Stanford produzido em Ele era capaz de empilhar blocos se valendo de uma câmera que simulava o sentido da visão. Desde então, o desenvolvimento dos Robôs se deveu, em primeiro lugar, a uma demanda de diversos setores industriais por dispositivos que permitissem automatizar processos produtivos e, em segundo lugar, a um desenvolvimento vertiginoso da microeletrônica e da eletromecânica, áreas cujas tecnologias eram e são necessárias para a criação e produção de Robôs cada vez melhores Objetivos da robótica Aumento da produtividade através da otimização da velocidade de trabalho do robô e a consequente redução de tempo na produção; Otimização do rendimento de outras máquinas e ferramentas alimentadas ou auxiliadas por robôs; Diminuição dos prazos de entrega de produtos; Realização de trabalhos não desejados, tediosos (alimentar máquina-ferramenta) ou perigosas e hostis (ambientes com temperaturas elevadas e presença de materiais tóxicos, inflamáveis e radioativos).

8 Tipos de robôs Um Robô Industrial é um dispositivo eletromecânico projetado para realizar diferentes tarefas, repetidamente, movendo peças, ferramentas e dispositivos especiais entre pontos diversos, realizando trajetórias de acordo com uma programação prévia, imitando os movimentos de um ser humano. 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 androide 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 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) Partes de um robô Idealizar e construir um robô envolve profissionais de diferentes áreas, pois o robô está dividido nas seguintes partes:

9 9 Parte mecânica: peças hidráulicas, esteiras, rolamentos, motores etc Parte elétrica: circuitos elétricos, sensores, microcontroladores, etc. Parte lógica: programação, inteligência artificial Programação de Robôs Criar inteligência em um robô é o grande desafio atualmente. Equipar máquinas com atuadores ou mesmo mecanismos que simulem os movimentos humanos é relativamente simples, no entanto, dotar um robô ou mesmo um computador com graus de inteligência e aprendizagem é um desafio extremamente complexo. Programação por demonstração: consiste em ensinar o robô a realizar operações (movimentos) simples e repetitivas, comuns na indústria, sem alto grau de inteligência. Essa foi a primeira forma de passar instruções a um robô. Programação por linguagens: Semelhante a linguagem de programação para computadores, onde os movimentos são determinados via códigos com a possibilidade de simular múltiplas inteligências Robôs Industriais e não Industriais São diversos os exemplos de indústrias que utilizam robôs em suas linhas de produção. Como exemplo é possível citar as de automóveis, de componentes elétricos, eletrodomésticos, gêneros alimentícios entre outras.

10 10 Robô manipulador industrial Robô móvel AVG Robô móvel LGV

11 11 Como já por dedução descoberto, as indústrias, dos mais diversos gêneros, são as maiores consumidoras de equipamentos automatizados ou robôs, sejam eles manipuladores ou móveis, sejam eles simplesmente máquinas de cálculos e controle. No entanto, na história da robótica atual, um novo cenário emerge, ou seja, a presença de robôs não industriais começa a ganhar enorme difusão e espaço no mercado mundial. Esses robôs são classificados como robôs de serviços. Robô aspirador de pó - Roomba Robôs cortadores de grama

12 12 Esteiras e irrigação Qrio e o cão Aibo Asimo da Honda

13 13 Cypher (drones atuais) Robô utilizado no desarmamento de minas terrestres GuardRobo da Alsok

14 14 Robô Sojourner Primeiro enviado a Marte Robô cirurgião davinci Hospital Sírio Libanês São Paulo VIPeR robô israelense, do tamanho de uma TV, capaz de invadir e atacar território inimigo

15 Automação Industrial A automação e a robótica são duas tecnologias intimamente relacionadas. Pode-se definir a automação como uma tecnologia que utiliza sistemas mecânicos, elétricos e computacionais na operação e no controle da produção. Um sistema de automação pode ter robôs trabalhando sozinhos ou junto a seres humanos, como também pode ser um processo automático, em que não existem robôs. Por exemplo: Características de robôs industriais Velocidade de movimento: Depende muito da estrutura mecânica do robô, de seu sistema de acionamento e sistema de controle e da carga controlada. Capacidade de carga ou Payload : É o peso máximo que um robô consegue manipular mantendo as suas especificações. Precisão de movimento: A precisão de movimento é definida em função de três características:

16 16 a. Resolução espacial: É o menor incremento de movimento em que o robô pode dividir seu volume de trabalho. É normalmente dependente da capacidade de carga do robô, e varia desde alguns milímetros até alguns centésimos de milímetro nos mais precisos. b. Precisão: Refere-se à capacidade de um robô de posicionar a extremidade de seu punho em um ponto meta desejado dentro de seu volume de trabalho. Repetibilidade: É a capacidade do robô de posicionar seu punho ou órgão terminal ligado ao seu punho num ponto meta no espaço previamente indicado Sensores Sensores são transdutores, ou seja, conversores de grandezas físicas em sinais elétricos correspondentes. Um robô é equipado com sensores para monitorar a velocidade com que se move, a posição em que se encontra, a localização de uma peça a ser manipulada, as dimensões da peça, a aproximação de um ser humano, e o impacto com um obstáculo (MORAES, 2003) Os sensores podem ser classificados como: Sensores externos que lidam a observação de aspectos do mundo exterior ao robô. Exemplos: sensores de contato, de proximidade, de força, de distância, de laser, de ultra-som, de infravermelho e químicos. Sensores internos que fornecem informação sobre os parâmetros do próprio robô. Exemplos: sensores de velocidade ou sentido de rotação, sensor de ângulo de uma junta. Potenciômetros, codificadores e os sensores inerciais (acelerômetros, giroscópios, inclinômetros e bússolas). Também podem ser classificados de acordo com o modo como gerem a energia envolvida no processo de sensoriamento: Sensores ativos medem através da emissão de energia para o ambiente ou por modificarem o ambiente, como por exemplo sensores laser, sensores de ultra-som e os sensores de contato. Sensores passivos não emitem energia, mas pelo contrario, recebem energia do ambiente. Um exemplo de sensor passivo são os sensores ópticos que recebem do ambiente a luminosidade necessária para o acionamento dos mesmos.

17 Atuadores Atuadores são componentes que realizam a conversão de energia elétrica, hidráulica, pneumática em energia mecânica. A potência mecânica gerada pelos atuadores é enviada aos elos através dos sistemas de transmissão para que os mesmos se movimentem. É possível classificar os atuadores de acordo com o tipo de energia que utiliza. A escolha do tipo de atuador mais indicado está relacionada com a esta classificação. Atuadores Hidráulicos: utilizam um fluido à pressão para movimentar o braço. São utilizados em robô que operam grandes cargas, onde é necessária grande potência e velocidade, mas oferecem baixa precisão. Atuadores Pneumáticos: utilizam um gás à pressão para movimentar o braço. São mais baratos que os hidráulicos, sendo usados em robôs de pequeno porte. Oferecem baixa precisão, ficando limitados a operações do tipo pega-e-coloca (do inglês, pick and place). Atuadores Eletromagnéticos: são motores elétricos (de passo, servos, Corrente Continua ou Corrente Alternada) ou músculos artificiais, usados em robôs de pequeno e médio porte. Os motores de corrente contínua (CC) são compactos e geralmente o valor de torque mantém-se numa faixa constante para grandes variações de velocidade, porém necessitam de sensores de posição angular (encoder) ou de velocidade (tacômetro) para controle de posição ou velocidade em malha fechada (servocontrole). Uma alternativa mais simples consiste em usar motores de passo. Os mesmo podem funcionar em controle de malha aberta (posição e velocidade), e são facilmente interligados a unidades de comando de baixo custo, porém a curva de torque decresce com o aumento da velocidade e, em baixas velocidades, podem gerar vibrações mecânicas. São mais empregados na movimentação de garras (FELIZARDO; BRACARENSE, 2005).

18 18 2. LEGO MINDSTORMS Veja na pasta outras apostilas/ev3 Guia do Usuário.pdf Links