UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL UNIJUÍ. DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias

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1 0 UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL UNIJUÍ DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias Curso de Engenharia Mecânica Campus Panambi JONATAN DE OLIVEIRA PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DE UM ROBÔ ARTICULADO COM TRÊS GRAUS DE LIBERDADE ACIONADO POR MOTORES ELÉTRICOS Panambi 2017

2 1 JONATAN DE OLIVEIRA PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DE UM ROBÔ ARTICULADO COM TRÊS GRAUS DE LIBERDADE ACIONADO POR MOTORES ELÉTRICOS Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica, da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Orientador: Cristiano Rafael Lopes, MEng. Panambi 2017

3 2 JONATAN DE OLIVEIRA PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DE UM ROBÔ ARTICULADO COM TRÊS GRAUS DE LIBERDADE ACIONADO POR MOTORES ELÉTRICOS Trabalho de conclusão de curso aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Cristiano Rafael Lopes, MEng Orientador Prof. Dr. Luiz Antônio Rasia DCEEng/Unijuí Panambi, 21 de junho de 2017.

4 Dedico este trabalho primeiramente à Deus, pois até aqui Ele tem me ajudado. Aos meus pais e minha esposa que não mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa. E em memória das minhas queridas avós. 3

5 4 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente à Deus por estar presente em todos os momentos da minha vida e por permitir a conquista de mais esta etapa. Aos meus pais que não mediram esforços para que eu chegasse até aqui, sempre me apoiando e incentivando para alcançar este objetivo. A minha querida esposa que sempre ao meu lado, com otimismo e atenção me apoiou nos bons e maus momentos, tornando-se essencial em minha vida. Ao professor e orientador Cristiano, pela orientação e disponibilidade no desenvolvimento do trabalho. Obrigado pela atenção, recursos e pelo aprendizado proporcionado neste período acadêmico, tornando-se um amigo que a graduação proporcionou. Aos professores Valdiero e Rasia pelo auxílio e suporte durante a realização deste trabalho e por todo o conhecimento repassado no período da graduação. Aos amigos Mateus e Guinter, pela disponibilidade, auxílio, recursos e principalmente pela atenção creditada para a conclusão deste trabalho. A Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul, pelos recursos e pelos conhecimentos técnicos fornecidos durante toda a graduação e necessários para a realização deste trabalho.

6 5 RESUMO Apresenta-se o projeto e a construção do protótipo de um robô articulado com três graus de liberdade, acionado por motores elétricos. A robótica é uma tendência de automatização dos processos de fabricação que visa na substituição da mão-deobra em atividades repetitivas, manuais ou que oferecem risco aos operadores. Um robô industrial pode ser dividido em mecanismo, acionamento e sistema de controle. O mecanismo compreende a estrutura do robô, composta por elos e juntas, o acionamento é constituído por componentes responsáveis pela transformação de algum tipo de energia em movimento mecânico ao manipulador, como atuadores e sistemas de transmissão de potência, o sistema de controle é responsável pelo controle das tarefas e movimentos a serem executados, o qual é constituído por hardware e software. O principal fator que impede pequenas e médias empresas de adotarem sistemas robotizados em suas linhas de produção é seu alto custo inicial, que é proporcional a capacidade, dimensões e exatidão que o equipamento oferece. Durante o desenvolvimento do trabalho, serão apresentados princípios de solução relacionados ao projeto e construção do protótipo, envolvendo a seleção do tipo de mecanismo, atuadores, sistemas de transmissão, controladores e sensores de posição, com o objetivo de construir um manipulador robótico de baixo custo. Como resultados tem-se a montagem do protótipo de um robô articulado com três graus de liberdade, acionado por motores elétricos, com a finalidade da utilização de motores elétricos alternativos de baixo custo no projeto de robôs industriais, além do acionamento dos motores através de um uma programação básica em malha aberta. Palavras-chave: Robô articulado. Projeto. Protótipo. Motor elétrico.

7 6 ABSTRACT It is presented a design and construction of an articulated robot prototype with three degrees of freedom, driven by electrical motors. Robotics is a automation s trend of manufacturing processes that aims a replacing manpower in repetitive, manual or risky activities to operators. An industrial robot can be divided into mechanism, drive and control system. The mechanism comprises the structure of the robot, that it is composed of links and joints, the drive is constituted by components responsible for the transformation of some type of energy in mechanical movement to the manipulator, such as actuators and power transmission systems. The control system is responsible to control of the tasks and movements to be executed, which is constituted by hardware and software. The main factor that prevents small and medium companies from adopting robotic systems in their production lines is their high initial cost, which is proportional to the capacity, dimensions and accuracy that the equipment offers. During the development of the work, it will be presented principles of solution related to the design and construction of the prototype, involving the selection of the type of mechanism, actuators, transmission systems, controllers and position sensors, with the objective of constructing a low cost robotic manipulator. The results of this paper are the assembly of the prototype of an articulated robot with three degrees of freedom, driven by electrical motors, with the purpose of using low-cost alternative electrical motors in the design of industrial robots, in addition to the drive of the motors through a basic open-loop programming. Keywords: Articulated robot. Design. Prototype. Electrical motor.

8 7 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Robô Unimate fabricado pela empresa Unimation Inc Figura 2 - Elos e juntas de um robô industrial com 6 graus de liberdade Figura 3 - Vista isométrica da junta deslizante (a), rotativa (b), esférica (c) Figura 4 - Motor elétrico de corrente contínua Figura 5 - Imagem ilustrativa de um acionamento hidráulico Figura 6 - Imagem ilustrativa de um acionamento pneumático Figura 7 - Fonte de potência elétrica para acionamento de atuadores elétricos Figura 8 - Tipos de sistemas de transmissão mais utilizados em manipuladores robóticos Figura 9 - Imagem ilustrativa de um sensor de proximidade Figura 10 - Vista explodida dos componentes do Encoder Incremental Figura 11 - Efetuador final (tocha de solda) de um robô industrial para processo de soldagem Figura 12 - Garras mecânicas com dois dedos intercambiáveis Figura 13 - Estrutura de um sistema de controle de um manipulador robótico Figura 14 - Desenho esquemático do volume de trabalho de um robô Figura 15 - Desenho representativo da posição repetitividade de um robô Figura 16 - Desenho indicativo da representação da precisão de um robô Figura 17 - Vista isométrica do espaço de trabalho de um Robô de coordenadas cartesianas Figura 18 - Vista isométrica de um robô Gantry Figura 19 - Vista frontal e superior de um Robô de Coordenadas Cilíndricas Figura 20 - Vista isométrica de um Robô de Coordenadas Polares (esféricas) Figura 21 - Vista isométrica de um Robô Articulado (antropomórfico) Figura 22 - Vista frontal e superior de um Robô Scara Figura 23 - Vista isométrica de um robô paralelo Figura 24 - Mapa indicativo da quantidade de robôs operacionais contabilizados por países Figura 25 - Gráfico da aplicação de robôs nas indústrias, com base em Robotics Industries Association (RIA) (2014) Figura 26 - Desenho esquemático de um sistema de referência Denavit-Hartenberg... 42

9 8 Figura 27 - Desenho esquemático da cinemática inversa de um robô articulado Figura 28 - Relação entre as velocidades angulares das juntas ϴ i, a velocidade v e a rotação w da garra Figura 29 - Principais componentes de um robô industrial Figura 30 - Estrutura parafusada (a), soldada (b) e fundida ou injetada (c) Figura 31 - Vista isométrica da estrutura do robô articulado Figura 32 - Vista isométrica explodida dos principais componentes de Elo Figura 33 - Vista frontal (a) e isométrica (b) do Elo Figura 34 - Vista isométrica explodida dos principais componentes do Elo Figura 35 - Vista isométrica do Elo Figura 36 - Vista isométrica explodida dos principais componentes do Elo Figura 37 - Vista isométrica do Elo Figura 38 - Vista superior e lateral do espaço de atuação do robô articulado Figura 39 - Vista isométrica com identificação dos motores do robô Figura 40 - Detalhes do acoplamento do motor ao eixo de transmissão Figura 41 - Fonte de potência de corrente contínua com saída de 12V e 30A Figura 42 - Vista isométrica do detalhe do acoplamento do motor direto na junta Figura 43 - Vista lateral (a) e isométrica (b) da posição do encoder no robô Figura 44 - Placa eletrônica tipo Ponte H para acionamento dos motores elétricos. 61 Figura 45 Interface do software Arduino Figura 46 - Indicação dos Elos, Juntas e Eixos de Rotação do robô articulado Figura 47 - Desenho esquemático dos parâmetros de Denavit-Hartenberg Figura 48 - Posição do efetuador final resultante da matriz de transformação homogênea Figura 49 - Vista isométrica explodida do robô com balões de referência dos componentes Figura 50 - Máquina de Corte por Laser Figura 51 - Prensa Viradeira (dobradeira) para processo de dobra Figura 52 - Furadeira de Bancada Figura 53 - Torno Mecânico Figura 54 - Aparelho de Solda Figura 55 - Prensa Hidráulica Manual Figura 56 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) do Elo 0 (Base Fixa) Figura 57 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) dos tirantes... 74

10 9 Figura 58 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das chapas Figura 59 - Vista detalhada da Junta Rotativa 1 no projeto (a) e protótipo (b) Figura 60 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) da Bucha usinada Figura 61 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) Eixo usinado do Elo Figura 62 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) do Elo Figura 63 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das Chapas do Elo Figura 64 - Vista detalhada da Junta Rotativa 2 no projeto (a) e protótipo (b) Figura 65 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) da Bucha montada na Chapa base Figura 66 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das Chapas Figura 67 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) do Elo Figura 68 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das Chapas do Elo Figura 69 - Vista detalhada da Junta Rotativa 3 no projeto (a) e protótipo (b) Figura 70 - Motor elétrico BOCH Figura 71 - Motores elétricos montados nas Juntas do robô Figura 72 - Motor com acoplamento direto na Junta a ser movida Figura 73 - Fonte de potência elétrica de 12V e 30A Figura 74 Microcontrolador ATmega328P ARDUINO Figura 75 - Placa eletrônica do tipo Ponte H Figura 76 - Vista (a) isométrica e (b) frontal do local da montagem do encoder Figura 77 - Montagem final do mecanismo, acionamento e controlador do robô articulado... 87

11 10 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Vantagens e desvantagens do acionamento elétrico, com base em Rosário (2005) Tabela 2 - Vantagens e desvantagens do acionamento hidráulico, com base em Rosário (2005) Tabela 3 - Vantagens e desvantagens do acionamento pneumático, com base em Rosário (2005) Tabela 4 - Quadro comparativo das formas de acionamento elétrico, hidráulico e pneumático Tabela 5 - Vantagens e desvantagens dos robôs cartesianos Tabela 6 - Vantagens e desvantagens dos robôs articulados Tabela 7 - Vantagens e desvantagens dos robôs Scara Tabela 8 - Vantagens e desvantagens dos robôs paralelos Tabela 9 - Lista de materiais disponíveis para utilização na estrutura do robô Tabela 10 - Especificações do rolamento NSK Tabela 11 - Especificações do motor elétrico BOCH Tabela 12 - Especificações do encoder incremental Hohner Tabela 13 - Especificações do microcontrolador ATmega328P ARDUINO Tabela 14 - Parâmetros Denavit-Hartenberg Tabela 15 - Lista de componentes do Elo 0 e Junta Rotativa Tabela 16 - Lista de componentes do Elo1 e Junta Rotativa Tabela 17 - Lista de componentes do Elo 2 e Junta Rotativa Tabela 18 - Lista de componentes dos atuadores Tabela 19 - Lista de custos dos componentes utilizados no robô... 88

12 11 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 3D - Três Dimensões CC - Corrente Contínua CLP - Controlador Lógico Programável D-H - Denavit-Hartenberg IFR - Federação Internacional de Robótica ISO - International Organization for Standardization J1 - Conector da placa do Arduino M6 - Rosca métrica M6 M8 - Rosca métrica M8 NIMASS - Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas P - Junta Prismática PWM - Pulse Width Modulation Q1, Q2, Q3, Q4 - Transistores R1, R2, R3, R4 - Resistores R - Junta Rotativa RPP - Robô de Coordenadas Cilíndricas RRP - Robô de Coordenadas Esféricas RRP - Robô Scara RRR - Robô Articulado (Antropomórfico) RS - Rio Grande do Sul RUR - Robôs Universais de Russum SAE - Society of Automotive Engineers SCARA - Seletive Compliant Articulated Robot for Assembly UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul USB - Universal Serial Bus

13 12 LISTA DE SÍMBOLOS Distância entre eixos z i e z i-1 [mm] Ângulo formado entre eixos z i e z i-1 [rad] Distância medida entre eixos x i e x i-1 [mm] Ângulo formado entre eixos x i e x i-1 [rad] Vetor da velocidade angular Vetor da velocidade linear Vetor da relação da velocidade linear e angular Velocidade angular [rad/s] x i, y i, z i Eixos coordenadas de referência Matriz de transformação homogênea que relaciona o efetuador final à base Matriz Jacobiana Matriz Jacobiana das juntas prismáticas Matriz Jacobiana das juntas rotativas Velocidade de junta [rad/s] Ø Diâmetro [mm] N Força em Newton rpm Rotações por minuto V Tensão elétrica, potencial elétrico em Volt W Potência, fluxo energético em Watt m Unidade de medida de comprimento em metro mm Unidade de medida de comprimento em milímetro A Intensidade de corrente elétrica em Ampére ma Intensidade de corrente elétrica em miliampére hz Frequência em hertz Mhz Frequência em megahertz Khz Frequência em quilohertz

14 13 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO GENERALIDADES METODOLOGIA OBJETIVO GERAL Objetivos específicos ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA HISTÓRICO DA ROBÓTICA DEFINIÇÃO DE ROBÔ PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM ROBÔ Manipulador mecânico Atuadores Comparativo entre os tipos de atuadores Acionamento direto e indireto Unidade de potência Sistemas de transmissão Sensores Efetuador final Sistema de controle VOLUME DE TRABALHO RESOLUÇÃO, REPETITIVIDADE E PRECISÃO TIPOLOGIA SEGUNDO A CADEIA CINEMÁTICA Robô de coordenadas cartesianas (Gantry) Robô de coordenadas cilíndricas Robô de coordenadas polares (esféricas) Robô articulado (antropomórfico) Robô SCARA Robô paralelo APLICAÇÃO DE ROBÔS NA INDÚSTRIA MODELAGEM CINEMÁTICA DE UM ROBÔ Cinemática direta Cinemática inversa... 44

15 Cinemática diferencial (matriz jacobiana) PROJETO DO ROBÔ ARTICULADO MECANISMO Projeto mecânico do mecanismo ACIONAMENTO Atuadores Unidades de potência Sistemas de transmissão CONTROLADOR E SENSORES DE POSIÇÃO MODELAGEM CINEMÁTICA Sistemas de referências e parâmetros de Denavit-Hartenberg Cinemática direta Cinemática diferencial CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DO ROBÔ PRINCIPAIS COMPONENTES DO ROBÔ MECANISMO Recursos utilizados para a fabricação Construção do Elo 0 e da Junta Rotativa Construção do Elo 1 e da Junta Rotativa Construção do Elo 2 e da Junta Rotativa ACIONAMENTO Atuadores Sistema de Transmissão Unidade de Potência CONTROLADOR E SENSORES DE POSIÇÃO MONTAGEM FINAL DO ROBÔ CUSTOS DOS COMPONENTES CONCLUSÃO REFERÊNCIAS APÊNDICE A PROGRAMAÇÃO PARA ACIONAMENTO DA JUNTA ANEXO A CATÁLOGO MOTOR BOCH ANEXO B CATÁLOGO ENCODER HOHNER SERIE ANEXO C CATÁLOGO ROLAMENTO NSK... 97

16 15 1 INTRODUÇÃO 1.1 GENERALIDADES A indústria vem a anos buscando aperfeiçoar seus processos de fabricação, produzir mais em menor tempo, com menos custos, visando sempre aumentar sua lucratividade e qualidade. A área que tem papel fundamental nestas melhorias é a automação através da robótica. Este ramo de atuação ou de estudo, já não pertence somente à indústria, onde tem grande benefício em tarefas insalubres e repetitivas, mas também tem uma ampla aplicação na agricultura, com robôs capazes de executar tarefas como, por exemplo, a pulverização de lavouras, mapeamento e coleta de amostras de colheita, entre outras. Inovações tecnológicas demandam do engenheiro uma formação profissional atualizada por meio do contato crescente com conceitos e técnicas avançadas de automação integrada, tais como processos de engenharia assistida por computador, automação das linhas de fabricação, robótica e engenharia de novos materiais. A robótica compreende tudo o que há de tecnologia, justamente por ser multidisciplinar (ROSÁRIO, 2005). Há robôs específicos para cada tipo de aplicação na indústria, como por exemplo, soldagem por resistência por pontos, manipulação de materiais, soldagem por arco, pintura, corte por jato de água, corte por gás, acabamentos e montagem, todos projetados para substituir o trabalho humano (ROMANO, 2002). O principal fator que impede pequenas e médias empresas de optarem por sistemas robotizados em suas linhas de produção é seu alto custo inicial, sendo este custo proporcional ao grau de exatidão, capacidade, dimensões e confiabilidade que o equipamento oferece. Um robô industrial pode ser dividido em três principais componentes, mecanismo, acionamento e sistema de controle. O mecanismo é a estrutura do robô composta por elos, juntas e o efetuador final, o acionamento pode ser elétrico, hidráulico ou pneumático e o sistema de controle é composto por hardware e software (VALDIERO, 2005). Através deste trabalho de conclusão de curso, pretende-se desenvolver o projeto e construção do protótipo de um robô articulado com três graus de liberdade e acionado por motores elétricos, utilizando componentes de baixo custo.

17 METODOLOGIA Para o projeto do robô descrito foram utilizadas ferramentas estudadas no decorrer do curso de Engenharia Mecânica, tais como: metodologia de projeto, conceitos de robótica industrial, desenho mecânico em softwares de desenho assistido por computador, processos de fabricação, elementos de máquinas e materiais de construção mecânica. A metodologia escolhida neste trabalho consiste na revisão bibliográfica sobre os conceitos de robótica, elaboração do projeto e construção do protótipo do robô articulado. O projeto foi realizado segundo a metodologia proposta por Valdiero (1998, 2005), o detalhamento do projeto foi realizado com o auxílio do software de projeto assistido por computador Solid Works A construção do protótipo foi realizada com os recursos disponíveis no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS) da UNIJUÍ e em empresas localizadas no município de Panambi. 1.3 OBJETIVO GERAL O objetivo principal deste trabalho é desenvolver o projeto e construir o protótipo de um robô articulado com três graus de liberdade, de baixo custo, acionado por motores elétricos de corrente contínua Objetivos específicos Realizar a revisão bibliográfica envolvendo os conceitos de robótica que serão necessários para o desenvolvimento do projeto e construção do protótipo; Realizar o projeto seguindo a metodologia de projetos descrita por Valdiero (1998, 2005), através de software em Três Dimensões (3D); Realizar os cálculos da modelagem cinemática; Realizar a escolha dos componentes e matéria-prima; Realizar a escolha dos equipamentos de fabricação; Realizar a construção do protótipo.

18 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO Este trabalho está dividido em quatro capítulos da seguinte maneira: No capítulo 2 apresenta-se a revisão bibliográfica com os principais conceitos referente à robótica industrial; No capítulo 3 apresenta-se o projeto detalhado do robô e o desenvolvimento da modelagem cinemática; No capítulo 4 apresenta-se o desenvolvimento da construção do protótipo do robô; Por fim apresentam-se as conclusões e sugestões para trabalhos futuros.

19 18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A revisão bibliográfica também chamada de embasamento teórico, referencial teórico ou ainda, fundamentação teórica, é a base que sustenta qualquer pesquisa científica. Neste sentido, serão abordados os principais conceitos que se referem ao tema do trabalho. 2.1 HISTÓRICO DA ROBÓTICA A robótica preocupa-se com o estudo das máquinas que podem substituir seres humanos na execução de uma tarefa. É a disciplina que envolve o projeto, controle e aplicação dos robôs especificamente na área industrial (SICILIANO et al, 2009). A palavra robô tem origem na palavra tcheca Robot-nik que significa servo, a qual foi utilizada inicialmente pelo dramaturgo Karel Capek em Em uma peça de teatro chamada Robôs Universais de Russum (RUR), o dramaturgo também citou a palavra robot para retratar a criação de robôs (ROSÁRIO, 2005). O ano de 1940 foi um marco na história, quando o grande escritor Isaac Asimov tornou popular o conceito de robô com uma máquina que se parecia com um humano, não possuidora de sentimentos, mas cujo comportamento seria definido a partir da programação feita por pessoas, de forma a cumprir determinadas regras e éticas de conduta. Isaac Asimov (1940 apud ROMANO, 2002, p. 14) estabelece três leis básicas para a robótica: 1ª) Um robô não pode fazer mal a um ser humano nem consentir, permanecendo inoperante, que um ser humano se exponha a situação de perigo ; 2ª) Um robô deve obedecer sempre às ordens de seres humanos, exceto em circunstâncias em que estas ordens entrem em conflito com a 1ª lei ; 3ª) Um robô deve proteger a sua própria existência, exceto em circunstâncias em que entrem em conflito com a 1ª e 2ª leis ; Lei 0) Um robô não deve fazer mal à humanidade, ou, permanecer passivo numa situação que prejudique a humanidade. Em 1959, George Devol e Joe Engelberger desenvolveram o primeiro robô industrial moderno, feito este, que contribuiu para Engelberger criar a empresa

20 19 Unimation Inc, que passou a fabricar e comercializar robôs industriais, sendo este o motivo pelo qual é chamado de pai da robótica (ROMANO, 2002). Em 1961, a Unimation Inc. instalou o primeiro robô industrial, chamado Unimate, ilustrado na Figura 1. Figura 1 - Robô Unimate fabricado pela empresa Unimation Inc. Fonte: Pires (2002, p. 13). Atualmente, devido aos inúmeros recursos que os sistemas de microcomputadores oferecem, a robótica atravessa uma época de contínuo crescimento que permitirá em um curto espaço de tempo, o desenvolvimento de robôs inteligentes capazes de realizar as mais variadas atividades em sistemas de produção, agregando valor aos produtos (ROSÁRIO, 2005). 2.2 DEFINIÇÃO DE ROBÔ A definição de robô é ampla e variada, alguns autores apresentam suas definições, como por exemplo, Rivin (1988 apud ROMANO, 2002, p. 3) que define robô como [...] um manipulador multifuncional reprogramável projetado para movimentar materiais, partes, ferramentas ou peças especiais, através de diversos movimentos programados, para o desempenho de uma variedade de tarefas. Uma definição mais completa é apresentada pela norma International Organization for Standardization (ISO) 10218: como sendo: uma máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada automaticamente,

21 20 reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para utilização em aplicações de automação industrial. 2.3 PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM ROBÔ Os robôs industriais são constituídos de componentes e sistemas que, integrados entre si, proporcionam movimentos previamente programados. Entre eles, podem-se destacar os manipuladores mecânicos (juntas e elos), unidade de controle, unidade de potência, atuadores, sistema de transmissão, sensores e efetuador final Manipulador mecânico Basicamente composto por elos (elementos estruturais rígidos), conectados entre si através de juntas (articulações) responsáveis pela liberdade dos movimentos, sendo o primeiro elo denominado como base e o último onde será vinculado o efetuador final (ROMANO, 2002). A Figura 2 ilustra um manipulador mecânico com 6 graus de liberdade e seus principais componentes. Figura 2 - Elos e juntas de um robô industrial com 6 graus de liberdade Fonte: Romano (2002, p. 4). a) Base É a base de sustentação do manipulador.

22 21 b) Elos São os elementos estruturais rígidos sendo inevitável que apresentem algum grau de flexibilidade quando submetidos a algum tipo de esforço, sendo necessário assim, projetar a estrutura de tal maneira que apresente elevada rigidez aos esforços de flexão e torção. As principais matérias utilizadas nestas estruturas são o alumínio e o aço (ROMANO, 2002). c) Juntas São os dispositivos mecânicos (articulações) responsáveis pela liberdade dos movimentos, permitindo o braço manipulador de um robô se mover para várias posições, executando movimentos lineares ou rotacionais. As juntas também determinam o número de graus de liberdade em um robô. São classificadas em três tipos: prismáticas (deslizantes), rotativas e esféricas, conforme pode ser visualizado na Figura 3. As juntas prismáticas permitem o movimento linear entre dois elos, enquanto as juntas rotativas e esféricas permitem movimentos de rotação entre dois elos (ROSÁRIO, 2005). Figura 3 - Vista isométrica da junta deslizante (a), rotativa (b), esférica (c) Fonte: Rosário (2005, p. 156) Atuadores Atuadores são responsáveis pelo acionamento dos eixos de um robô, os quais convertem algum tipo de energia (elétrica, pneumática ou hidráulica) em movimento (potência) mecânica (ROSÁRIO, 2005). Romano (2002, p. 5) descreve

23 22 que [...] através dos sistemas de transmissão, a potência mecânica gerada pelos atuadores é enviada aos elos para que se movimentem. Atuadores tem ação física direta sobre processos automatizados e são geralmente controlados por computador ou outros tipos de analisadores (ASFAHL, 1992). Os atuadores elétricos, tipicamente motores de corrente contínua ou alternada, são os mais utilizados em robôs projetados atualmente. O motor de passo é muito utilizado pelo fato de ser barato e de fácil ligação a circuitos eletrônicos de controle (VALDIERO, 1998). Asfahl (1992, p. 47) descreve que [...] Os robôs com acionamento elétrico são utilizados principalmente para tarefas que exigem maior precisão. Na Tabela 1 pode ser visualizado as principais vantagens e desvantagens do acionamento elétrico, e na Figura 4 um exemplo de acionamento elétrico. Tabela 1 - Vantagens e desvantagens do acionamento elétrico, com base em Rosário (2005) Vantagens Eficiência calculada, com controle preciso Estrutura simples e de fácil manutenção Fonte de energia acessível Desvantagens Impossibilidade de manter um momento constante nas mudanças de velocidade de rotação Possibilidade de ocorrência de danos no caso de cargas pesadas Suficiente para parar o motor. Custo relativamente pequeno Figura 4 - Motor elétrico de corrente contínua Fonte: Weg (2015, p. 9).

24 23 O acionamento hidráulico caracteriza-se por utilizar uma unidade hidráulica composta de um motor de movimento rotativo e de um cilindro para realização de movimento linear (ROSÁRIO, 2005). Outra característica importante de acionamentos hidráulicos é a alta relação torque/dimensão e a flexibilidade de instalação de seus atuadores. Em contrapartida existem dificuldades na operação de robôs hidráulicos, principalmente para obtenção de respostas precisas (VALDIERO, 2012). Na Tabela 2 pode ser visualizado as principais vantagens e desvantagens do acionamento hidráulico, e na Figura 5 um exemplo de acionamento hidráulico. Tabela 2 - Vantagens e desvantagens do acionamento hidráulico, com base em Rosário (2005) Vantagens Momento alto e constante sob uma grande faixa de variação de velocidade Precisão da operação menor que a do acionamento elétrico e maior que a do pneumático Possibilidade de manter um alto momento por um longo período de tempo, quando parado Desvantagens Fonte de energia cara Manutenção cara e intensa Válvulas de precisão caras Figura 5 - Imagem ilustrativa de um acionamento hidráulico Fonte: Parker (2005, p. 6). O acionamento pneumático é similar ao hidráulico. Rosário (2005, p. 168) descreve que [...] o acionamento pneumático é composto de: motores pneumáticos de movimento rotativo e cilindros pneumáticos de movimento deslizante.

25 24 Os atuadores pneumáticos são comandados por meio de válvulas eletropneumáticas, possibilitando, portanto, o interfaceamento com sinais elétricos vindos de botões ou mesmo de Controladores Lógicos Programáveis (CLP s) (DE NEGRI, 2001). Na Tabela 3 podem ser visualizadas as principais vantagens e desvantagens do acionamento pneumático e na Figura 6 um exemplo de acionamento pneumático. Tabela 3 - Vantagens e desvantagens do acionamento pneumático, com base em Rosário (2005) Vantagens Operação em velocidades extremamente altas Custo relativamente pequeno Fácil manutenção Desvantagens Ausência de alta precisão Possibilidade de ocorrência de vibrações quando o motor ou cilindro pneumático é parado. Figura 6 - Imagem ilustrativa de um acionamento pneumático Fonte: Festo (2016, p. 16) Comparativo entre os tipos de atuadores Cada tipo de atuador possui suas características, como por exemplo, precisão, capacidade de carga, velocidade e custo. A Tabela 4 apresenta um breve comparativo entre os três tipos de acionamentos anteriormente descritos:

26 25 Tabela 4 - Quadro comparativo das formas de acionamento elétrico, hidráulico e pneumático Acionamento Precisão de posicionamento Capacidade de transferência de carga Velocidade Elétrico Alta pequenas e médias (20 kg) Alta Alto Custo Hidráulico média-alta pesadas (1.000 kg ou mais) média-alta médio-alto Pneumático Baixa pequenas e médias (10 kg) Alta Baixo Fonte: Rosário (2005, p. 168) Acionamento direto e indireto Atuadores elétricos tendem a ser maiores e mais pesados que atuadores hidráulicos e pneumáticos. Por este motivo, Groover (1988 apud CARRARA, 2015, p. 38) descreve que [...] nem sempre é possível posicionar tais atuadores próximos às respectivas juntas, em virtude de restrições no espaço disponível ou de problemas com deflexões devido ao peso. Dessa forma, os atuadores podem ser acoplados de forma direta ou indireta. a) Acionamento direto Neste tipo de acionamento, o motor é montado diretamente na junta que ele vai mover. Em determinados casos, proporciona melhor precisão e rendimento de potência em relação ao acionamento indireto (CARRARA, 2015). Segundo Turner (2001 apud MENUZZI et al, 2010) [...] não é o ideal para motores elétricos, pois a ausência de uma relação de redução do movimento leva a necessidade de motores elétricos especiais com menor rotação e maior torque. b) Acionamento indireto Neste tipo de acionamento, o atuador fica distante da junta a ser movida por ele. Isto ocorre geralmente quando os atuadores são pesados, e para reduzir o peso nas juntas e aumentar a capacidade do braço, soluções como o uso de algum tipo de sistema de transmissão de potência, como polias, correntes e rodas dentadas, engrenagens, são utilizadas para evitar problemas como deflexão devido ao peso (CARRARA, 2015).

27 26 Turner (2001 apud MENUZZI et al, 2010) descreve que [...] a utilização de engrenagens entre os motores e as juntas, possui como vantagens a menor carga no motor, maiores rotações no motor e a facilidade de seu posicionamento no braço do robô Unidade de potência Unidade de potência é responsável por fornecer a potência necessária para a movimentação dos atuadores. Cada tipo de acionamento tem uma unidade de potência associada, deste modo, para o acionamento hidráulico, pneumático e elétrico as unidades de potência associadas são a bomba hidráulica, o compressor de ar e a fonte elétrica, respectivamente. Para os motores elétricos a unidade de potência pode ser uma fonte de corrente alternada ou fonte de corrente contínua (ROMANO, 2002), conforme a Figura 7. Figura 7 - Fonte de potência elétrica para acionamento de atuadores elétricos Fonte: Alecrim (2010) Sistemas de transmissão Sistemas de transmissão tem a finalidade de realizar a transmissão de potência mecânica (torque/força e velocidade angular/linear) originada de um atuador (ROMANO, 2002). As transmissões mecânicas podem ser de vários tipos e modelos, se diferenciando de acordo com o princípio de funcionamento, isto é, a forma de acoplamento de suas entradas e saídas (ROSÁRIO, 2005).

28 27 Os tipos de sistema de transmissão mais usados, conforme a Figura 8 são: (a) acoplamento direto, (b) acoplamento com alinhamento oblíquo, (c, d) redutores, (e) polia e correia, (f) conversão de movimento rotativo para linear através de fuso, (g) correia dentada e (h) cremalheira (GARCIA, 2013). Figura 8 - Tipos de sistemas de transmissão mais utilizados em manipuladores robóticos Fonte: Garcia (2013, p. 27) Sensores Os sensores são dispositivos importantes para a constituição dos robôs mecânicos pois fornecem parâmetros sobre o comportamento do manipulador, em termos de posição e velocidade dos elos em função do tempo. De modo geral são acoplados nas juntas do robô mecânico (ROMANO, 2002). Sensores transmitem informação a partir da máquina ou equipamento, do processo de fabricação, da peça a ser fabricada e da pessoa (operador humano), se houver (ASFAHL 1992). Os principais tipos de sensores utilizados nas indústrias são:

29 28 a) Sensores de proximidade Alguns sensores não requerem contato físico ou radiação de luz para "sentir" ou detectar um objeto. Tais sensores são chamados sensores de proximidade, conforme a Figura 9, porque podem detectar a presença de um objeto próximo sem tocá-lo (ASFAHL, 1992). Figura 9 - Imagem ilustrativa de um sensor de proximidade Fonte: Rosário (2005, p. 64). b) Sensores de posição A medição da posição de um robô é feita normalmente no eixo dos atuadores que movimentam o robô. Um dos métodos de medição de posição angular mais comum em robótica é o uso de encoders incrementais (ROMANO, 2002). Um braço robótico pode ter o movimento limitado em qualquer um dos seus eixos de movimentação através dos sensores de posição (ASFAHL, 1992). Segundo Contreras, Flores e Silva (2008 apud FIORI, 2015, p. 36) os encoders incrementais são amplamente utilizados nas mais diversas aplicações robóticas e no controle realimentado de sistemas. Eles são transdutores rotativos eletromecânicos onde um emissor envia feixes de luz através de duas fendas defasadas e uma terceira (conta giros) que são recebidas e interpretadas por uma placa eletrônica. Esta placa transforma o conjunto de feixes de luz em uma série de pulsos que são interpretadas como o movimento angular (em deslocamento e sentido) por uma placa de aquisição e controle. A Figura 10 ilustra um exemplo de encoder incremental com o detalhamento dos seus principais componentes.

30 29 Figura 10 - Vista explodida dos componentes do Encoder Incremental Fonte: Fiori (2015, p. 36) Efetuador final Todas as informações especificadas pelos fabricantes nos catálogos de seus robôs estão relacionadas a várias características de desempenho tais como: acurácia, repetitividade, carga máxima, graus de liberdade, entre outros. Estas informações estão diretamente relacionadas a extremidade terminal do manipulador mecânico, ou seja, o último elo. Assim, o efetuador final deve ser capaz de promover sua interação com o objeto a ser trabalhado (ROMANO, 2002). Existem dois tipos de efetuadores finais, as ferramentas especiais e as garras mecânicas. As ferramentas especiais são em geral, rigidamente fixas às extremidades terminais dos robôs, não possuindo movimentação relativa a estes. A função principal do robô nestes casos é posicionar e orientar a ferramenta em relação à peça que será trabalhada. Existem diversos tipos de ferramentas que são utilizadas na indústria, entre elas, as pistolas para pintura, tochas de soldagem, o portaeletrodo, o porta-rebolo, o maçarico, pistolas para corte por jato de água, entre outras (ROMANO, 2002). A Figura 11 ilustra na parte salientada um exemplo de efetuador final utilizado em robôs de solda.

31 30 Figura 11 - Efetuador final (tocha de solda) de um robô industrial para processo de soldagem Fonte: Yaskawa (2016, p. 5) As garras mecânicas estão associadas à preensão ou agarramento de objetos e tem por função realizar operações de movimentação ou manipulação. Salisbury e Craig (1982 apud ROMANO, 2002, p. 12) descreve que [...] em termos cinemáticos, uma garra na configuração de mão humana é a que possui maior versatilidade para realizar a manipulação de objetos dos mais variados tipos. A Figura 12 ilustra três garras mecânicas com dois dedos intercambiáveis. Figura 12 - Garras mecânicas com dois dedos intercambiáveis Fonte: Romano (2002, p. 14).

32 Sistema de controle A unidade de controle é um sistema constituído de um processador que recebe os sinais dos sensores e os transforma em dados executando o algoritmo de controle e envia os sinais para acionamento dos atuadores (LOPES, 2015). Ceroni e NOF (1999 apud VALDIERO 2005, p. 26) descreve sistema de controle como um [...] dispositivo de hardware e software onde é implementado o esquema de controle projetado, incluindo os sensores, os elementos do modo de operação, o conjunto de circuitos e elementos de saída para atuação. O software pode ser desenvolvido em um computador pessoal ou em um microcontrolador. O sistema de hardware envolvem motores de passos, cabos, dispositivo de entrada, sensores, amplificadores de potência e placa de controle (CARRARA, 2015). O controle de sistemas robóticos é realizado basicamente mediante a manipulação de informações, que ocorrem por meios elétricos, frequentemente sendo necessária a utilização de sensores que indiquem a posição do mecanismo no sistema de controle, com o objetivo de reduzir erros de posicionamento do sistema (ROSÁRIO, 2005). A Figura 13 ilustra a estrutura típica de um sistema robótico. Figura 13 - Estrutura de um sistema de controle de um manipulador robótico Fonte: Rosário (2005, p. 22).

33 VOLUME DE TRABALHO O volume de trabalho de um manipulador robótico é a região dentro da qual o mesmo pode posicionar o efetuador final. Esse espaço pode ser dividido em duas regiões: a primeira região onde todos os graus de liberdade são atuantes e a segunda região onde nem todos os graus de liberdade estão atuando (VALDIERO, 1998). A Figura 14 ilustra um desenho esquemático do volume de trabalho de um robô, sendo R a região onde todos os graus de liberdade atuam e r onde nem todos os graus de liberdade atuam. Figura 14 - Desenho esquemático do volume de trabalho de um robô Fonte: Valdiero (1998, p. 17). 2.5 RESOLUÇÃO, REPETITIVIDADE E PRECISÃO A resolução de um robô representa o deslocamento mínimo que o manipulador pode realizar. A resolução do sistema pode ser baseada na resolução dos sensores, codificadores, conversores analógicos digitais ou passo de motores, lembrando a influência do atrito, das folgas, entre outros (VALDIERO, 1998). A repetitividade de um robô indica a capacidade que o manipulador tem de realizar um deslocamento e de retornar repetidamente a uma mesma posição. Em outras palavras, traduz a diferença de posição com que o robô volta a recolocar-se num ponto visitado anteriormente (VALDIERO, 1998).

34 33 A Figura 15 ilustra o desenho representativo da repetitividade de um robô, sendo d a repetitividade e o erro da posição (x,y,z) representado pela equação. Figura 15 - Desenho representativo da posição repetitividade de um robô Fonte: Valdiero (1998, p. 20). A precisão de um robô pode ser definida como sendo a diferença entre a posição programada e a posição real do manipulador depois da execução do movimento programado (VALDIERO, 1998). Vários fatores influenciam a precisão de um robô, do ponto de vista mecânico depende da rigidez da estrutura, dos jogos e atritos nas juntas e da qualidade da fabricação dos componentes em geral. Do ponto de vista do controle, essa precisão depende dos erros do cálculo das coordenadas, da precisão da calibração, das diferenças entre o modo do ensaio e a execução do movimento e da precisão dos sensores deposição (VALDIERO, 1998). A Figura 16 ilustra a representação de precisão de um robô.

35 34 Figura 16 - Desenho indicativo da representação da precisão de um robô Fonte: Valdiero (1998, p. 20). 2.6 TIPOLOGIA SEGUNDO A CADEIA CINEMÁTICA Existem diferentes configurações físicas ou anatômicas nos manipuladores, é usual classificar os robôs de acordo com o tipo de junta, mais precisamente, pelas três juntas que estão mais próximas da base do robô (ROSÁRIO, 2005). As principais configurações básicas relativas a estrutura mecânica de um robô, de acordo com a Federação Internacional de Robótica (IFR) são os robôs de coordenadas cartesianas, cilíndricas e esféricas, robô Seletive Compliant Articulated Robot for Assembly (Scara), robô articulado (antropomórfico) e robô paralelo (ROMANO, 2002) Robô de coordenadas cartesianas (Gantry) Estes tipos de robôs possuem três juntas prismáticas, que podem se movimentar em linha reta, em deslocamentos verticais e horizontais. Sua localização no espaço é definida pelas coordenadas cartesianas (x, y, z) e estes robôs caracterizam-se por ter três juntas prismáticas (P) codificados como (PPP), pelo pequeno espaço de trabalho, pelo elevado grau de rigidez mecânica e pela grande exatidão na localização do efetuador final (ROSÁRIO, 2005). Os robôs Gantry possuem a cinemática mais simples entre os tipos comuns de robôs industriais, pelo fato de utilizar três juntas prismáticas, salvo alguns casos em que é utilizado uma junta rotativa para o efetuador final. A Figura 17 ilustra o

36 35 espaço de trabalho de um robô cartesiano e a Figura 18 ilustra o exemplo de um robô Gantry. Figura 17 - Vista isométrica do espaço de trabalho de um Robô de coordenadas cartesianas Fonte: Siciliano et al, (2009). Figura 18 - Vista isométrica de um robô Gantry Fonte: Siciliano et al, (2009). Os robôs cartesianos possuem algumas vantagens e desvantagens em comparação aos demais tipos de robôs, as quais são descritas na Tabela 5 (PAATZ, 2008): Tabela 5 - Vantagens e desvantagens dos robôs cartesianos Vantagens Grande capacidade de carga Baixo custo Cinemática simples Alta precisão Desvantagens Grande área de apoio Pouca flexibilidade Área de trabalho restrita Peso elevado Fonte: Paatz (2008).

37 Robô de coordenadas cilíndricas Este tipo de robô caracteriza-se pela combinação de movimentos lineares com movimentos rotacionais. Normalmente possuem um movimento rotacional na cintura e movimentos lineares no restante da estrutura mecânica, ou seja, consistem de uma junta rotativa (R) e duas juntas prismáticas (P), codificado como Robô de Coordenadas Cilíndricas (RPP). Outras características desses tipos de robôs é o fato de possuírem uma área de trabalho maior que a dos robôs cartesianos, mas em contrapartida, a rigidez mecânica é ligeiramente inferior (ROSÁRIO, 2005). A Figura 19 ilustra um exemplo de robô de coordenadas cilíndricas. Figura 19 - Vista frontal e superior de um Robô de Coordenadas Cilíndricas Fonte: Romano (2002, p.19) Robô de coordenadas polares (esféricas) Este tipo de robô caracteriza-se por possuir dois movimentos rotacionais (na cintura e ombro) e um terceiro movimento linear, resultando em um envelope esférico formado pelos três eixos (x, y, z). Estes robôs possuem duas juntas rotativas (R) e uma prismática (P) e são codificados como Robô de Coordenadas Esféricas (RRP). Outras características desses tipos de robôs são o fato de possuírem uma área de trabalho maior que os modelos cilíndricos, mas em contrapartida, sua rigidez mecânica é menor e seu controle é mais complicado devido aos movimentos de

38 37 rotação (ROSÁRIO, 2005). A Figura 20 ilustra um exemplo de robô de coordenadas polares. Figura 20 - Vista isométrica de um Robô de Coordenadas Polares (esféricas) Fonte: Romano (2002, p. 8) Robô articulado (antropomórfico) Este tipo de robô caracteriza-se pela grande semelhança com o braço humano. Possuem três juntas rotativas (R) e são codificados como Robô Articulado (Antropomórfico) (RRR). Outras características fundamentais são o fato de sua área de atuação ser maior que a de qualquer outro tipo de robô, contudo apresentam baixa rigidez mecânica e seu controle é complexo em virtude das três juntas rotativas (ROSÁRIO, 2005), conforme ilustra a Figura 21. É o tipo mais versátil entre os robôs, sendo capaz de executar tarefas de montagem, soldagem, pintura, entre outras que demandem grande versatilidade. Figura 21 - Vista isométrica de um Robô Articulado (antropomórfico) Fonte: Romano (2002, p. 9).

39 38 Os robôs articulados possuem algumas vantagens e desvantagens em comparação aos demais tipos de robôs, as quais são descritas na Tabela 6 (PAATZ, 2008): Tabela 6 - Vantagens e desvantagens dos robôs articulados Vantagens Grande área de trabalho Apoio centralizado Grande flexibilidade Boa velocidade de operação Desvantagens Preço elevado Grande número de componentes Cinemática complexa Baixa rigidez Fonte: Paatz (2008) Robô SCARA Este tipo de robô é uma configuração recente utilizada nas indústrias para tarefas de montagem, caracteriza-se por possuir duas juntas rotativas (R) e uma prismática (P) e é codificado como RRP. Outras características são o fato de possuírem área de atuação menor do que o modelo esférico e são amplamente apropriados para operações de montagem (ROSÁRIO, 2005). Dotados de apenas um ponto de apoio e seguido de duas juntas rotativas, uma prismática e, em alguns modelos, mais uma junta rotativa de orientação, os robôs Scara são adaptados para aproximação vertical, tornando-os ágeis nas atividades de movimentação de objetos (SCHMITT, 2009), conforme ilustra a Figura 22. Figura 22 - Vista frontal e superior de um Robô Scara Fonte: Romano (2002, p. 8).

40 39 Os robôs articulados possuem algumas vantagens e desvantagens em comparação aos demais tipos de robôs, as quais são descritas na Tabela 7 (PAATZ, 2008): Tabela 7 - Vantagens e desvantagens dos robôs Scara Vantagens Boa capacidade de carga Excelente repetibilidade Alta velocidade Poucos componentes Desvantagens Movimentos restritos Pouca flexibilidade Aproximação apenas vertical Fonte: Paatz (2008) Robô paralelo Talvez o tipo mais complexo de robô industrial, caracteriza-se por possuir juntas que transformam movimentos de rotação em translação, ou usam diretamente juntas prismáticas, conforme ilustra a Figura 23. Sua principal característica é o volume de trabalho reduzido, porém com alta velocidade, o que o torna propício para certas atividades de montagem. Caracteriza-se por ser o melhor tipo na atividade de manipulação de objetos, sendo utilizado principalmente em sistemas de organização e (ou) seleção de objetos com alta velocidade (SCHMITT, 2009). Figura 23 - Vista isométrica de um robô paralelo Fonte: Romano (2002, p. 9).

41 40 Os robôs articulados possuem algumas vantagens e desvantagens em comparação aos demais tipos de robôs, as quais são descritas na Tabela 8 (PAATZ, 2008): Tabela 8 - Vantagens e desvantagens dos robôs paralelos Vantagens Alta velocidade de operação Apoio centralizado Baixo peso Alta precisão de repetitividade Desvantagens Baixa capacidade de carga Pouca flexibilidade Área de trabalho restrita Cinemática complexa Fonte: Paatz (2008) 2.7 APLICAÇÃO DE ROBÔS NA INDÚSTRIA Os robôs são utilizados para realizar trabalhos repetitivos, insalubres ou perigosos para seres humanos, ou também para adicionar qualidade e produtividade a algum processo de fabricação. Segundo a Federação Internacional de Robótica - IFR, no ano de 2012 eram contabilizadas mais de sete mil unidades de robôs no Brasil. A Figura 24 mostra um mapa com os países em destaque na utilização de robôs e a quantidade de unidades contabilizadas no ano de Figura 24 - Mapa indicativo da quantidade de robôs operacionais contabilizados por países Fonte: World Economic Forum com base nos dados da IFR.

42 41 são: As aplicações dos robôs nas indústrias são diversas, entre elas, as principais Soldagem por ponto; Soldagem por arco; Montagem; Manipulação de materiais; Pintura; Inspeção; Outras aplicações como corte por jato de água, corte por gás, acabamento e montagem. Em termos percentuais, esta utilização pode ser visualizada no gráfico representado na Figura 25: Figura 25 - Gráfico da aplicação de robôs nas indústrias, com base em Robotics Industries Association (RIA) (2014)

43 MODELAGEM CINEMÁTICA DE UM ROBÔ Um manipulador pode ser esquematicamente representado de um ponto de vista mecânico como uma cadeia cinemática de corpos rígidos (elos) conectados por meio de juntas. A cinemática do manipulador robótico consiste na descrição do movimento em relação a um sistema de referência fixo independentemente das forças inerciais e externas atuantes, é por tanto, a relação analítica entre as variáveis de junta e a posição e orientação do efetuador final (SICILIANO et al, 2009) Cinemática direta A cinemática direta tem como objetivo determinar a localização (posição e orientação) do efetuador final em relação a um sistema de coordenadas de referência (NOF, 1999). Para o cálculo da cinemática direta são utilizados os parâmetros de Denavit- Hartenberg (D-H), que é um processo de equacionamento com o objetivo de chegarse em uma matriz que identifica a orientação e posição do efetuador final em relação ao eixo de coordenadas da base (SCIAVICCO; SICILIANO, 1996). Para a cinemática, é necessário definir o sistema de referência e a forma como os links (elos) são conectados entre si (CRAIG, 2005). A Figura 26 mostra um sistema de referências {i} rigidamente conectado a um elo i. Figura 26 - Desenho esquemático de um sistema de referência Denavit-Hartenberg Fonte: Craig (2005, p. 68).

44 ): A notação de Denavit-Hartenberg pode ser dividida em 4 etapas (LOPES, 1ª etapa: Determinação dos sistemas de referência A primeira etapa consiste na representação dos sistemas de coordenadas em cada um dos elos do robô, realizado da seguinte maneira: 1º passo: Em cada junta i representa-se o eixo z i-1; 2º passo: Na normal comum entre z i-1 e z i representa-se o eixo x i ; 3º passo: Representa-se cada eixo y através da regra da mão direita. 2ª etapa: Definição dos parâmetros de Denavit-Hartenberg Na segunda etapa são definidos os parâmetros em relação aos sistemas de coordenadas definidos anteriormente, onde: : é a distância entre e, medida ao longo do eixo, que é a normal comum entre e. : é o ângulo entre o eixo e o eixo, medido em torno do eixo, segundo a regra da mão direita, ou seja, é o ângulo de rotação em torno do eixo, que o eixo deve girar para que fique paralelo ao eixo. : é a distância entre os eixos e, medida sobre o eixo (que é a normal comum entre e ); : é o ângulo entre o eixo e o eixo, medido em torno do eixo, segundo a regra da mão direita, ou seja, é o ângulo de rotação em torno do eixo, que o eixo deve girar para que fique paralelo ao eixo. 3º etapa: Cálculo das matrizes de transformação homogênea Com a notação de Denavit-Hartenberg definida, pode-se obter a posição e orientação do efetuador em relação ao sistema de coordenadas da base em função

45 44 dos deslocamentos de todas as juntas. O deslocamento de cada junta é dada por ou dependendo do tipo de junta. se a junta i for rotativa; se a junta i for prismática. Dessa forma, a posição e orientação do elo relativo ao elo é descrita através da matriz homogênea representada na Equação (1) (SCIAVICCO; SICILIANO, 1996): A i i-1 = Cosi Seni 0 0 Seni. Cosi Cosi. Cosi Sen 0 i Seni. Seni Cosi. Seni Cos 0 i ai. Cosi a. i Seni di 1 (1) 4º etapa: Matriz de transformação para o sistema de referência da base: A partir das matrizes de transformação homogênea que relacionam um sistema de referência em relação ao anterior é possível calcular uma nova matriz de transformação homogênea que relaciona o sistema de referência do efetuador final em relação ao sistema de referência do Elo 0 (base fixa). Um manipulador consiste de elos, com a base sendo o elo 0 e o efetuador o elo. Portanto, do efetuador a base existem transformações homogêneas consecutivas, assim, a posição e orientação do efetuador é dada pela Equação (2): = (2) Cinemática inversa A cinemática inversa, ao contrário da cinemática direta, consiste em identificar as variáveis de junta a partir das coordenadas de referência (posição e orientação) do efetuador final (SICILIANO et al, 2009).

46 45 O problema de cinemática inversa é complexo, uma vez que, envolve equações cinemáticas não lineares. O cálculo da cinemática inversa é realizado a partir da posição e orientação do efetuador. Em particular, refere-se ao cálculo de todos os possíveis conjuntos de ângulos das juntas que podem ser utilizados para atingir determinada posição e orientação do efetuador, ou seja, possui múltiplas soluções (GARCIA, 2013). A Figura 27 mostra o desenho esquemático da cinemática inversa de um robô articulado, onde são as variáveis de juntas e os eixos do sistema de referência. Figura 27 - Desenho esquemático da cinemática inversa de um robô articulado Fonte: Garcia (2013 p. 34) Cinemática diferencial (matriz jacobiana) A cinemática diferencial é a relação entre as velocidades lineares e velocidades angulares do efetuador final em relação às velocidades lineares e angulares das juntas, sendo o equacionamento base para o controle de velocidade do manipulador robótico (SICILIANO et al, 2009). Ao realizar a análise das velocidades do mecanismo, é conveniente definir uma matriz chamada Jacobiana do manipulador. Essa matriz realiza o mapeamento das velocidades angulares nas juntas, para velocidades em coordenadas cartesianas (VALDIERO, 1998).

47 46 A Figura 28 representa a relação entre as velocidades angulares das juntas, a velocidade e a rotação da garra. Figura 28 - Relação entre as velocidades angulares das juntas ϴ i, a velocidade v e a rotação w da garra Fonte: Valdiero (1998, p. 8). As relações das velocidades lineares e angulares do efetuador em função das velocidades das juntas podem ser unidas em uma mesma Equação (3) (CABRAL, 2004): v = J J p1 o1 J J p2 o2 J J p3 o J J pn on q1 q 2. q3 qn (3) A matriz é definida como sendo a matriz jacobiana do efetuador. Esta matriz relaciona as velocidades lineares e angulares do efetuador expressas no sistema de coordenadas da base, com as velocidades das juntas, para uma dada configuração do manipulador. Se a junta for rotativa, usa-se a Equação (4): = ( (4) =

48 47 Se a junta i for prismática, usa-se a Equação (5): = (5) =

49 48 3 PROJETO DO ROBÔ ARTICULADO Neste capítulo será apresentado o projeto do robô articulado e a modelagem cinemática, segundo a metodologia descrita por Valdiero (1998, 2005), detalhando os principais componentes mecânicos e elétricos que compõem a estrutura. Este projeto visa utilizar componentes que estejam disponíveis na universidade, a fim de minimizar custos, dessa forma tais elementos não foram especificamente dimensionados para projeto do robô, mas sim combinados para que juntos possam formar um equipamento funcional. S-egundo Valdiero (2005, p. 25) um robô industrial pode ser dividido basicamente em três partes principais: Mecanismo; Acionamento; Sistema de controle. A Figura 29 ilustra os principais componentes de um robô industrial. Figura 29 - Principais componentes de um robô industrial Fonte: Valdiero (2005, p. 25).

50 MECANISMO O mecanismo é a parte mecânica do robô responsável pela execução dos movimentos, é composto por elos, juntas e o efetuador final. O mecanismo forma a estrutura cinemática do manipulador pelo fato de dispor de elos e juntas, determinando o tipo do manipulador robótico (Articulado, Paralelo, Scara, Cartesiano, etc.) (VALDIERO, 2005). Para os manipuladores articulados, o mecanismo básico é composto de três juntas rotativas (RRR) e tem o papel de fornecer a rigidez adequada ao manipulador, prover suporte aos acionamentos e sensores visando não afetar a precisão do manipulador Projeto mecânico do mecanismo A estrutura de manipuladores robóticos pode ser rígida ou flexível, e para o projeto do mecanismo do manipulador deve-se levar em consideração a mais importante característica da estrutura, como sendo a rigidez, a deflexão e a torção. Existem dois tipos de estruturas em manipuladores, de casca e de viga. A estrutura de casca tem menor peso e maior resistência. O método de fabricação dos elos do robô também tem influência nas características estruturais do robô. As formas mais básicas e usuais de fabricação dessas estruturas são as parafusadas, soldadas, fundidas ou plásticas (VALDIERO, 1998). Um braço pesado necessita de um motor maior, o que torna o custo do robô mais elevado. Um braço de baixa rigidez reduz a precisão do robô devido as vibrações e resposta à tensão. Para aumentar a rigidez mecânica do braço sem aumentar seu peso, frequentemente é usada uma estrutura oca (casca), com maior rigidez mecânica se comparada com uma construção maciça que utiliza a mesma massa de material (ROSÁRIO, 2005). As estruturas parafusadas são simples de serem fabricadas e são baratas, mas podem ter problemas de variação de dimensão causado pela montagem e desmontagem. As estruturas soldadas e fundidas (injetadas) não apresentam os problemas das estruturas parafusadas, porém são mais caras pelo fato de necessitarem operações adicionais de fabricação, como alívio de tensões e acabamento superficial (VALDIERO, 1998).

51 50 Na Figura 30 pode ser visualizada a estrutura parafusada (a), soldada (b) e fundida ou injetada (c). Figura 30 - Estrutura parafusada (a), soldada (b) e fundida ou injetada (c) Fonte: Valdiero (1998, p. 25). O alumínio e o aço são os materiais mais comuns para as estruturas dos robôs, devido ao seu baixo custo, apesar de que existam materiais mais nobres como fibras de carbono, materiais termoplásticos que caracterizam-se pela alta rigidez e mínima massa, porém com custo mais alto. Independente do material utilizado, as estruturas projetadas devem visar à redução de peso e consequentemente a redução de potência necessária para o acionamento (VALDIERO, 1998). Visando a construção do protótipo, as alternativas de projeto foram limitadas aos materiais e meios de fabricação existentes no laboratório e ao baixo custo de fabricação, limitando o número de componentes que necessitem processo de corte, dobra e usinagem. Na Tabela 9 pode ser visualizada a lista de materiais disponíveis para utilização na estrutura do robô. Tabela 9 - Lista de materiais disponíveis para utilização na estrutura do robô Material Chapa 1,90mm SAE 1020 Ferro redondo SAE 1020 Rolamento Ø26mm x Ø10mm Barra roscada M8 Parafuso Allen M6 Porca Sextavada M6 Tubo Redondo Ø12,7x1,5

52 51 Para o projeto dos elos do robô articulado projetado, considerando aspectos como resistência, peso, número de componentes, custo de fabricação e disponibilidade de matéria prima, optou-se pelo uso da estrutura parafusada (tipo casca) fabricada em aço. O projeto mecânico do mecanismo apresenta três juntas rotativas, conforme ilustra a Figura 31, acionadas por motores elétricos, compostas por eixos e buchas de aço acopladas a rolamentos, que transmitem o movimento de rotação. Figura 31 - Vista isométrica da estrutura do robô articulado O Elo 0 (base fixa) é conectado a uma junta rotativa (J1) que realiza o movimento angular e rotativo, sem deslocamento axial ou radial. Segundo Valdiero (1998, p. 30) [...] a utilização de rolamentos resulta em baixo atrito e alta precisão e é importante para preservar a rigidez da junta. A Figura 32 mostra, detalhadamente, os principais componentes mecânicos do Elo 1, sendo as chapas (1) e (3) fixas por meio de tirantes compostos por barras roscadas M8 (4), tubos limitadores de altura (2) e porcas sextavadas M8 (9). O motor (14) é fixo por meio de porcas sextavadas M6 (9) e barras roscadas M6 (12) na chapa (3). O encoder incremental (15) é fixo na chapa (3) por meio de parafuso, e

53 52 realiza a medição da posição de acordo com o giro do eixo (11) que é acoplado ao motor e guiado pelo rolamento (7) acoplado a bucha (5) e. As chapas dobradas (18) e (19) são montadas sobre a chapa (10), a bucha (5) e rolamento (7) são responsáveis pelo movimento do Elo 1. A Figura 33 mostra a vista frontal (a) e isométrica (b) do Elo 0. Figura 32 - Vista isométrica explodida dos principais componentes de Elo 1 Figura 33 - Vista frontal (a) e isométrica (b) do Elo 0

54 53 O Elo 1 é conectado na junta rotativa (J1) que realiza o movimento angular e rotativo. A Figura 34 mostra, detalhadamente, os principais componentes mecânicos do Elo 1, onde as chapas (1) e (5) formam o elemento rígido e são fixas por meio de tirantes compostos por porcas sextavadas M8 (4), barras roscadas M8 (3) e tubos limitadores (2). O eixo (10) é fixo nas chapas (1) e (5) por meio de solda, e é responsável pela transmissão de movimento assim como os rolamentos (8) acoplados a buchas (6). A Figura 35 mostra a vista isométrica do Elo 1. Figura 34 - Vista isométrica explodida dos principais componentes do Elo 1 Figura 35 - Vista isométrica do Elo 1

55 54 O Elo 2 é conectado na junta rotativa J2 que realiza o movimento angular e rotativo. Para o manipulador descrito neste relatório, não foi desenvolvido o efetuador final, porém para trabalhos futuros foi planejado um local para o acoplamento do mesmo através da utilização de um engate padrão ISO. A Figura 36 mostra, detalhadamente, os principais componentes mecânicos do Elo 2, onde as chapas (1) formam o elemento rígido e são fixas por meio de tirantes compostos por porcas sextavadas M8 (4) e barras roscadas M8 (3) e tubos limitadores (2). O eixo (6) é fixo nas chapas (1) por meio de solda, e é responsável pela transmissão de movimento, e a chapa (5) serve para o acoplamento do efetuador final. A Figura 37 mostra a vista isométrica do Elo 2. Figura 36 - Vista isométrica explodida dos principais componentes do Elo 2 Figura 37 - Vista isométrica do Elo 1

56 55 A Tabela 10 especifica as principais características do rolamento utilizado nas juntas rotativas do robô. Maiores informações podem ser consultadas no Anexo C. Tabela 10 - Especificações do rolamento NSK Característica Tipo Ø Externo Ø Interno Largura Carga máx. Rotação máx. óleo Rotação máx. graxa Valor Esferas 26 mm 10 mm 8 mm N rpm rpm O espaço de trabalho de um manipulador depende de seu tamanho e de sua configuração cinemática, e pode ser dividido em duas regiões: a primeira onde todos os graus de liberdade estão atuando e a segunda onde nem todos os graus de liberdade estão atuando (VALDIERO, 1998). A configuração do robô articulado com três graus de liberdade permite um alto volume de trabalho devido à mobilidade que as três juntas rotativas oferecem. São mostrados, na Figura 38 em forma de uma vista superior (a) e lateral (b) do espaço de atuação do robô. Figura 38 - Vista superior e lateral do espaço de atuação do robô articulado

57 ACIONAMENTO Segundo Valdiero (2005, p. 26) o acionamento de um manipulador robótico é composto por três unidades, ou seja, atuadores, unidades de potência e sistemas de transmissão Atuadores Para o manipulador robótico projetado serão utilizados motores de Corrente Contínua (CC). A seleção desse tipo de atuador elétrico está baseada no fato dos mesmos apresentarem estrutura compacta, serem de fácil aquisição no mercado, possuir baixo custo de manutenção em decorrência do baixo desgaste dos seus componentes e por possibilitarem trabalhos em altas velocidades. A Figura 39 identifica os motores de corrente contínua em cada junta do robô. Figura 39 - Vista isométrica com identificação dos motores do robô

58 57 Para cada junta do robô foi selecionado um motor de corrente contínua de 12V e 12W, fabricado pela empresa Bosch, modelo CEP Os motores foram montados diretamente na junta que ele vai mover, sua fixação ao Elo foi realizada com o auxílio de barras roscadas fixas por porcas, e seu acoplamento ao eixo de transmissão foi realizado através de uma bucha de aço vazada presa por parafuso, conforme ilustra a Figura 40. Figura 40 - Detalhes do acoplamento do motor ao eixo de transmissão A Tabela 11 especifica as principais características do motor elétrico utilizado, maiores detalhes podem ser vistos no Anexo A. Tabela 11 - Especificações do motor elétrico BOCH Característica Valor Modelo CEP Tensão 12 V Potência 57 W Corrente máx. 50 A Torque nominal 9 N/m Rotação 75 rpm Redução 63:1 Sentido Rotação R Peso 1,1 Kg

59 Unidades de potência As unidades de potência, mostradas na Figura 41, são os elementos responsáveis pelo fornecimento da potência necessária à movimentação dos atuadores, ou seja, fazendo a conversão da energia disponível para a requerida pelos atuadores. Para o robô descrito neste relatório será utilizado uma fonte de potência que está regulada para uma tensão de saída de 12 V e corrente máxima de 30 A. Figura 41 - Fonte de potência de corrente contínua com saída de 12V e 30A Sistemas de transmissão O sistema de transmissão tem por objetivo transmitir potência mecânica da fonte até a carga, através de componentes como acoplamentos, redutores ou amplificadores (SCHMITT, 2009). O robô descrito neste relatório possui acionamento direto em cada uma das três juntas, caracterizado por acoplamento direto. Na Figura 42 pode ser visualizado na região destacada pela linha tracejada o acoplamento direto do motor na junta a ser movida.

60 59 Figura 42 - Vista isométrica do detalhe do acoplamento do motor direto na junta 3.3 CONTROLADOR E SENSORES DE POSIÇÃO O controle de qualquer robô é composto, basicamente, por um sistema de software e hardware. Este sistema processa os sinais de entrada enviados pelos sensores de posição (hardware) e converte-os em uma ação ao qual foi programado (software). Para o controle de posição do robô descrito neste relatório, foi utilizado um encoder incremental em cada junta. A finalidade do encoder incremental é controlar o deslocamento angular de cada uma das juntas do robô, através do envio de sinais analógicos (pulsos) para o software, realizando a medição dos deslocamentos angulares. O encoder incremental utilizado no robô é da fabricante Hohner, série 75 com eixo vazado de Ø10 mm, capacidade para uma rotação de até 3000 rpm e 1000 pulsos por revolução. A Tabela 12 especifica as principais características do encoder incremental, maiores detalhes podem ser vistos no Anexo B.

61 60 Tabela 12 - Especificações do encoder incremental Hohner Característica Valor Rotação máx rpm Carga radial máx. 10 kg Carga axial máx. 10 kg Alimentação 5 a 28V cc Corrente máx. 80 ma Corrente máx. por saída 20 ma Frequência máx. 100 khz Temperatura operação -10 a + 80 C Pulsos por giro 1000 O encoder é fixo nos Elos do robô e acoplado ao eixo das Juntas, a medição da posição é realizada no instante do giro do eixo no qual ele é acoplado. Na Figura 43 pode ser visualizada a vista lateral (a) e isométrica (b) do robô indicando o local de montagem do encoder. Figura 43 - Vista lateral (a) e isométrica (b) da posição do encoder no robô Para o acionamento dos motores do manipulador robótico projetado é utilizada uma placa de controle do tipo Ponte H. Basicamente, Ponte H é um circuito para controle de motores de corrente contínua, que controla o sentido de rotação do mesmo e, também, sua velocidade em alguns casos. Uma curiosidade é

62 61 sua nomenclatura, Ponte H, pois o seu diagrama representa basicamente essa letra. Cada um dos três motores necessita de uma Ponte H para o seu acionamento. O projeto da placa realizada através do software Proteus, pode ser visualizado na Figura 44, onde Q1, Q2, Q3 e Q4 são os transistores, R1, R2, R3 e R4 os resistores, e J1o conector no qual é acoplado a placa do Arduino. Figura 44 - Placa eletrônica tipo Ponte H para acionamento dos motores elétricos O Arduino é uma plataforma eletrônica flexível e fácil de usar, composta basicamente de uma placa, um microcontrolador e pinos de entrada e saída. Outra característica é a simplicidade de programação, e não ter necessidade de adquirir qualquer licença por ser gratuito (KLUG, 2016). Este tipo de microcontrolador reduz o custo do projeto, é rápido, dedica-se apenas ao controle do robô, porém, possui limitações em relação ao tamanho do software (CARRARA, 2015). Para entrar em modo de operação, esta placa é conectada a um computador via cabo USB para realizar o controle de posição do robô. A Tabela 13 especifica as principais características do microcontrolador.

63 62 Tabela 13 - Especificações do microcontrolador ATmega328P ARDUINO Característica Valor Microcontrolador ATmega328P Tensão de operação 5V Tensão de entrada 7-12V Número de pinos 14 (6 PWM) Pinos digitais PWM 6 Pinos analógicos 6 Corrente 20mA Memória 32kb (ATmega328P) Velocidade do relógio 16 MHZ A plataforma ARDUINO foi escolhida pelo fato de ser uma ferramenta acessível que possui versão gratuita disponível, conforme ilustra a Figura 45. O software de controle é executado em um computador onde é feita a programação, conhecida como sketch, na qual será feito upload para a placa Arduino, através de uma comunicação serial. O sketch feito pelo projetista dirá à placa o que deve ser executado durante o seu funcionamento. Este software de programação pode ser baixado gratuitamente no site oficial do Arduino ( (KLUG, 2016).

64 63 Figura 45 Interface do software Arduino MODELAGEM CINEMÁTICA A seleção da estrutura cinemática faz parte do processo de projeto do mecanismo de um robô, etapa na qual são realizados os cálculos cinemáticos (NOF, 1999) Na Figura 46 pode ser visualizado os elos e juntas e a representação da estrutura cinemática do robô articulado.

65 64 Figura 46 - Indicação dos Elos, Juntas e Eixos de Rotação do robô articulado Sistemas de referências e parâmetros de Denavit-Hartenberg Seguindo a metodologia de Denavit-Hartenberg e partindo do conhecimento dos elos e juntas do robô que foram definidos na Figura 46, fez-se, primeiramente a determinação dos sistemas de coordenadas, como mostra a Figura 47.

66 65 Figura 47 - Desenho esquemático dos parâmetros de Denavit-Hartenberg Segue a descrição de cada parâmetro de Denavit-Hartenberg: : é a distância entre e, medida ao longo do eixo, que é a normal comum entre e ; : é o ângulo entre o eixo e o eixo, medido em torno do eixo ; : é a distância entre os eixos e, medida sobre o eixo ; : é o ângulo entre o eixo e o eixo, medido em torno do eixo. Para o robô articulado apresentado na Figura 47, têm-se os parâmetros de Denavit-Hartenberg apresentados na Tabela 14: Tabela 14 - Parâmetros Denavit-Hartenberg PARÂMETROS DE DENAVIT-HARTENBERG Elo i a i (mm) ϴ i d i (mm) α i (rad) Elo 1 a 1 = 0 θ 1 d 1 = 270 α 1 = π/2 Elo 2 a 2 = 400 θ 2 d 2 = 0 α 2 = 0 Elo 3 a 3 = 400 θ 3 d 3 = 0 α 3 = 0

67 Cinemática direta Com a notação de Denavit-Hartenberg definida, pode-se obter a posição e orientação do efetuador em relação ao sistema da base em função dos deslocamentos de todas as juntas. O deslocamento de cada junta é dado por ou, dependendo do tipo de junta. se a junta i for rotativa; se a junta i for prismática. Abaixo encontram-se as matrizes de transformação homogêneas que relaciona o movimento de um elo em relação ao anterior do robô descrito neste relatório, a Tabela 14 deve ser consultada nesta etapa. Substituindo os valores do elo 1, tem-se na Equação (6) a matriz que relaciona o sistema de coordenadas do elo 0 com o próprio sistema do elo 1. A 1 0 = C S S 1 C (6) Ao substituir os parâmetros referentes ao elo 2, tem-se na Equação (7) a matriz que relaciona os sistemas de coordenadas dos elos 1 e 2. A 2 1 = C S S C C S (7) Com a substituição dos parâmetros referentes ao elo 3, conforme a Equação (8) tem-se a matriz que relaciona o sistema de coordenadas do elo 3 com o elo 2.

68 67 A 3 2 = S C S C S C (8) Para obter a relação entre o elo 3 e o elo 0, precisa-se multiplicar as matrizes da Equação (6), Equação (7) e Equação (8) determinadas anteriormente, conforme a Equação (9). = (9) Para o robô articulado descrito, tem-se a Equação (10). = (10) Dessa forma obtém-se na Equação (11) a matriz de transformação homogênea que resulta na relação entre o efetuador final e o sistema de coordenadas da base. = S C S C S C C S S S C C S C S S S S C C S C C S S C S S S S S C C S C C S S C C C C S S C C S C C S S C C C C (11) A partir desta matriz tem-se a cinemática direta do robô, ou seja, dadas as variáveis de junta sabe-se onde o efetuador final está localizado e como está orientado. Na matriz resultante da Equação (11) identifica-se: Na primeira coluna a orientação do eixo X do efetuador final; Na segunda coluna a orientação do eixo Y do efetuador final; Na terceira coluna a orientação do eixo Z do efetuador final; Na quarta coluna a orientação do efetuador final, sendo a primeira linha a posição em X (Px), na segunda linha a posição em Y (Py) e na terceira linha a posição em Z (Pz).

69 68 A linha inferior da matriz deve ser sempre constituída de 0, 0, 0, 1. A Figura 48 mostra a orientação e posição do efetuador final nos eixos, e conforme valores calculados através da Equação (11). Figura 48 - Posição do efetuador final resultante da matriz de transformação homogênea Cinemática diferencial A cinemática diferencial relaciona as velocidades lineares e angulares do efetuador final, em relação às velocidades lineares e angulares das juntas, sendo um equacionamento base para o controle de velocidade de um robô. Na Equação (12) e Equação (13) têm-se a resolução da cinemática diferencial (CABRAL, 2004): v = J J p1 o1 J J p2 o2 J J p3 o J J pn on q1 q 2. q3 qn (12) v = 1. S1.(400. C 2. C S 2. S C 2) 2. C1.(400. C3. S S 3. C S 2) 3. C1.(400. C3. S S 3. C 2) 1. C1.(400. C 2. C S 2. S C 2) 2. S1.(400. C3. S S 3. C S 2) 3. S1.(400. C3. S S 3. C 2) 2.( S1².(400. C 2. C S 2. S C 2) C1².(400. C 2. C S 2. S C 2)) 3.( S1².(400. C 2. C S 2. S 3) C1².(400. C 2. C S 2. S 3)) 2. S1 3. S1 2. C1 3. C1 1 (13)

70 69 4 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DO ROBÔ Neste capítulo será apresentado o processo de construção do protótipo do robô articulado projetado no capítulo anterior, e também serão apresentados os recursos necessários para a fabricação. 4.1 PRINCIPAIS COMPONENTES DO ROBÔ A construção do protótipo dá-se a partir do projeto detalhado do robô, que serviu de base para a construção do mecanismo. Na Figura 49 são enumerados os principais componentes do robô, numeração que serve de referência para os itens seguintes. Figura 49 - Vista isométrica explodida do robô com balões de referência dos componentes

71 MECANISMO O mecanismo forma a estrutura mecânica do robô e é composto por elos e juntas. A seguir será apresentada a construção dos elos e juntas do robô descrito neste trabalho Recursos utilizados para a fabricação Para a construção do protótipo foram utilizados alguns recursos disponíveis no Campus Unijuí e outros disponíveis em empresas da cidade de Panambi. Corte Laser: Os componentes 1, 3, 10, 18, 19, 22, 25, 27 e 30, visualizados na Figura 50, que tem como matéria prima chapa Society of Automotive Engineers (SAE) 1020 com espessura de 1,90 milímetros, foram cortados pelo processo de Corte Laser, realizado na Metalúrgica Schumann de Panambi. A Figura 50 ilustra um exemplo de máquina de Corte Laser similar à que realizou este tipo de processo. Figura 50 - Máquina de Corte por Laser Fonte: TRUMPF (2017). Prensa Viradeira: os componentes 18 e 19, visualizados na Figura 49, que tem como matéria prima chapa SAE 1020 com espessura de 1,90 milímetros, que necessitavam do processo de dobra, foram dobradas em uma Prensa Viradeira disponível na Metalúrgica Schumann de Panambi. A Figura 51 ilustra uma Prensa Viradeira similar à que realizou o processo de dobra das chapas metálicas.

72 71 Figura 51 - Prensa Viradeira (dobradeira) para processo de dobra Fonte: LVD Furadeira de Bancada: os componentes 5 e 11, após o processo de usinagem, foi realizado a furação para a fixação dos parafusos em uma Furadeira de Bancada disponível no Campus. A Figura 52 mostra uma Furadeira de Bancada utilizada para realizar a furação. Figura 52 - Furadeira de Bancada Fonte: Laboratório de fabricação UNIJUÍ Campus Panambi. Torno Mecânico: os componentes 5, 11, 26 e 31 foram usinados em um torno mecânico disponível no Campus. Os tubos 4, 23 e 28 foram faceados para garantir o espaçamento entre os elos. A Figura 53 mostra o Torno Mecânico utilizado para realizar as tarefas de usinagem.

73 72 Figura 53 - Torno Mecânico Fonte: Laboratório de fabricação UNIJUÍ Campus Panambi. Aparelho de Solda: utilizado para a união dos componentes 26, 30 e 31. A Figura 54 mostra o Aparelho de Solda utilizado. Figura 54 - Aparelho de Solda Fonte: Laboratório de fabricação UNIJUÍ Campus Panambi. Prensa Hidráulica Manual: utilizado para a montagem dos rolamentos (7) nas buchas (5), responsáveis pelo movimento dos elos. A Figura 55 mostra a Prensa Hidráulica Manual utilizada.

74 73 Figura 55 - Prensa Hidráulica Manual Fonte: Laboratório de fabricação UNIJUÍ Campus Panambi Construção do Elo 0 e da Junta Rotativa 1 Para a construção do Elo 0 e da Junta Rotativa 1, foram necessários os materiais listados na Tabela 15: Tabela 15 - Lista de componentes do Elo 0 e Junta Rotativa 1 Componente Descrição Quant. 1 Chapa Ø220mm SAE Tubo Ø 12,7mm x 125mm SAE Chapa Ø220mm SAE Barra Roscada M8x150mm 4 5 Bucha SAE Rolamento Ø 26mm 1 9 Porca e Arruela M Chapa Ø220mm SAE Eixo Ø 10mm x 145mm 1 12 Barra roscada M6x65mm 3 13 Porca e Arruela M Parafuso Allen M6x20mm 2 4 O Elo 0 (base fixa) foi projetado formando uma estrutura do tipo casca, constituído de chapas de aço SAE 1020 (1, 3, 10), cortadas em processo de Corte

75 74 Laser e fixados por meio de tirantes (conjunto de espaçadores (2) fixos com porca (9) e barra roscada (4)), parafusos (20) e porcas (13). A Figura 56 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) do Elo 0. Figura 56 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) do Elo 0 (Base Fixa) A Figura 57 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) dos tirantes (2, 4 e 9) utilizados no Elo 0. Figura 57 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) dos tirantes

76 75 A Figura 58 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) das chapas planas (1, 3 e 10) utilizadas no Elo 0. Figura 58 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das chapas A Junta Rotativa 1 é composta por um eixo usinado (11), fixo por parafusos e porcas (13 e 20) na chapa (10) e tem seu movimento executado com o auxílio de uma rolamento (7) acoplado a uma bucha usinada (5), ambos fixos por parafusos na chapa (3). A Figura 59 mostra, detalhadamente, a Junta Rotativa 1 do projeto (a) e do protótipo (b). Figura 59 - Vista detalhada da Junta Rotativa 1 no projeto (a) e protótipo (b)

77 76 A Figura 60 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) da bucha usinada (5). Figura 60 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) da Bucha usinada A Figura 61 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) do Eixo usinado (11). Figura 61 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) Eixo usinado do Elo 0. Para a fabricação, foi necessário realizar o detalhamento de todos os componentes, gerar as vistas planificadas e enviar para o processo de corte que foi realizado na Metalúrgica Schumann de Panambi. O processo de usinagem foi realizado na Tornepan Tornearia de Panambi e os ajustes de folga foram executados no Torno Mecânico do laboratório do Campus Panambi.

78 Construção do Elo 1 e da Junta Rotativa 2 Para a construção do Elo 1 e da Junta Rotativa 2, foram necessários os materiais listados na Tabela 16: Tabela 16 - Lista de componentes do Elo1 e Junta Rotativa 2 Componente Descrição Quant. 5 Bucha SAE Rolamento Ø 26mm 2 9 Porca e Arruela M Porca e Arruela M Chapa dobrada SAE Chapa dobrada SAE Parafuso Allen M6x20mm 8 22 Chapa SAE Tubo Ø 12,7mm x 105mm SAE Barra roscada M8x Chapa SAE Eixo Ø 10mm x 195mm 1 18 Chapa dobrada SAE Chapa dobrada SAE O Elo 1 foi projetado formando uma estrutura do tipo casca, constituído de chapas de aço SAE 1020 (18, 19, 22, 25), cortadas em processo de Corte Laser, dobradas em Prensa Viradeira (18 e 19) e fixadas por meio de tirantes (conjunto de espaçadores (23) fixos com porca (9) e barra roscada (24)). Os parafusos (20) e porcas (13) fazem a fixação das chapas dobradas no Elo 0. A Figura 62 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) do Elo 0.

79 78 Figura 62 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) do Elo 1 A Figura 63 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) das Chapas (22 e 25) utilizadas no Elo 1. Figura 63 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das Chapas do Elo 1 A Junta Rotativa 2 é composta por um Eixo usinado (26) soldado nas Chapas (22 e 25) e tem seu movimento executado com o auxílio de um rolamento (7) acoplado a uma bucha usinada (5), ambos fixos por parafusos nas chapas (18 e 19). A Figura 64 mostra, detalhadamente, a Junta Rotativa 2 do projeto (a) e do protótipo (b).

80 79 Figura 64 - Vista detalhada da Junta Rotativa 2 no projeto (a) e protótipo (b). A Figura 65 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) da Bucha usinada (5) montada na Chapa (18 e 19) que serve de base para a Junta Rotativa 2. A montagem do rolamento na Bucha foi realizado com o auxílio da Prensa Hidráulica Manual disponível no Laboratório do Campus. Figura 65 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) da Bucha montada na Chapa base A Figura 66 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) do Eixo usinado (26). Figura 66 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das Chapas

81 80 Para a fabricação, foi necessário realizar o detalhamento de todos os componentes, gerar as vistas planificadas e enviar para o processo de corte e dobra que foi realizado na Metalúrgica Schumann de Panambi. O processo de usinagem foi realizado na Tornepan Tornearia de Panambi e os ajustes de folga foram executados no Torno Mecânico do laboratório do Campus Panambi Construção do Elo 2 e da Junta Rotativa 3 Para a construção do Elo 2 e da Junta Rotativa 3, foram necessários os materiais listados na Tabela 17: Tabela 17 - Lista de componentes do Elo 2 e Junta Rotativa 3 Componente Descrição Quant. 5 Bucha SAE Rolamento Ø 26mm 2 9 Porca e Arruela M Porca e Arruela M Parafuso Allen M6x20mm 4 27 Chapa SAE Tubo Ø 12,7mm x 65mm SAE Barra roscada M8x Chapa SAE Eixo Ø 10mm x 195mm 1 O Elo 2 foi projetado formando uma estrutura do tipo casca, constituído de chapas de aço SAE 1020 (27 e 30), cortadas em processo de Corte Laser e fixadas por meio de tirantes (conjunto de espaçadores (28) fixos com porca (9) e barra roscada (29)). A Chapa (30) é soldada nas chapas (27) e serve como base para um futuro efetuador final que venha a ser acoplado no manipulador. A Figura 67 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) do Elo 2.

82 81 Figura 67 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) do Elo 2 A Figura 68 mostra o projeto (a) e o protótipo (b) das Chapas (27 e 30) utilizadas no Elo 2. Figura 68 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das Chapas do Elo 2 A Junta Rotativa 3 é composta por um Eixo usinado (31) soldado nas Chapas (27) e tem seu movimento executado com o auxílio de um rolamento (7) acoplado a uma Bucha usinada (5) fixa por parafusos nas chapas (22 e 25) do Elo 1. A Figura 69 mostra, detalhadamente, a Junta Rotativa 3 do projeto (a) e do protótipo (b).

83 82 Figura 69 - Vista detalhada da Junta Rotativa 3 no projeto (a) e protótipo (b) 4.3 ACIONAMENTO O acionamento do robô é dividido basicamente em atuadores, unidade de potência e sistemas de transmissão Atuadores O robô é composto por três motores elétricos BOCH modelo CEP , mostrados na Figura 70. Cada uma das três juntas é acionada por um desses motores. Na Tabela 18 pode ser visualizada a lista dos componentes que fazem parte do sistema dos atuadores. Tabela 18 - Lista de componentes dos atuadores Componente Descrição Quant. 12 Barra roscada M6x70mm 9 13 Porca M Bucha Trava Motor 3 21 Motor BOCH 3

84 83 Figura 70 - Motor elétrico BOCH O motor (14) é fixo por meio de barra roscada (9) e porcas sextavadas (13). O movimento do motor é transmitido ao eixo de acionamento por meio de uma bucha (21) que é acoplada ao eixo do motor e ao eixo de acionamento do Elo por meio da fixação de um parafuso Allen sem cabeça M6. A unidade de potência foi selecionada conforme descrito no item A Figura 71 mostra os motores montados em cada uma das três juntas. Figura 71 - Motores elétricos montados nas Juntas do robô

85 Sistema de Transmissão O robô descrito neste relatório possui sistema de transmissão por acionamento direto em cada uma das três juntas, caracterizado por acoplamento direto, mostrado na Figura 72. Figura 72 - Motor com acoplamento direto na Junta a ser movida Unidade de Potência Para o robô descrito neste relatório foi utilizado uma fonte de potência elétrica com tensão de saída de 12V e corrente máxima de 30A. Esta fonte é convencional e de baixo custo de aquisição, mostrada na Figura 73. Figura 73 - Fonte de potência elétrica de 12V e 30A

86 CONTROLADOR E SENSORES DE POSIÇÃO O controle é realizado através do microcontrolador ATmega328P, conforme mostra a Figura 74, Estes microcontroladores caracterizam-se pelo baixo custo de aquisição. Figura 74 Microcontrolador ATmega328P ARDUINO Para o acionamento dos motores do manipulador robótico é utilizada uma placa de controle do tipo Ponte H, confeccionada manualmente, que controla o sentido de rotação dos motores e também sua velocidade, sendo que cada motor necessita de uma placa de controle. A Figura 75 mostra a imagem da (a) confecção da placa e (b) o circuito do tipo Ponte H montado. Figura 75 - Placa eletrônica do tipo Ponte H

87 86 O robô é composto por três encoders incrementais, cada uma das três juntas tem a posição controlada por meio de um encoder. Na Figura 76, na região salientada pode ser visualizado o local de montagem dos encoders, que são acoplados aos eixos de cada junta e fixos por meio de parafusos. Figura 76 - Vista (a) isométrica e (b) frontal do local da montagem do encoder 4.5 MONTAGEM FINAL DO ROBÔ O protótipo é o resultado da interação entre todos os componentes do mecanismo, acionamento e sistema de controle. Pode-se então, dividir o protótipo em três unidades: o controlador composto pela fonte de potência, placa Ponte H, microcontrolador e o software, o conjunto do mecanismo e os acionamentos elétricos, conforme ilustrado na Figura 77.

88 87 Figura 77 - Montagem final do mecanismo, acionamento e controlador do robô articulado Para fim de testes, foi realizado o acionamento da Junta 1, através de um programa elaborado, que pode ser visualizado no Apêndice A. Embora este programa mostre simplesmente o básico de acionamento dos motores em malha aberta. 4.6 CUSTOS DOS COMPONENTES Na Tabela 19 foi descrita a lista de componentes utilizados na construção do protótipo do robô e seus referentes custos. Para a definição dos custos foi considerado o valor aproximado ao atual exercido no mercado.

89 88 Tabela 19 - Lista de custos dos componentes utilizados no robô Descrição Quantidade Preço (un) Preço Total Arruela Lisa Zincada M6 20 un R$ 0,02 R$ 0,40 Arruela Lisa Zincada M8 24 un R$ 0,03 R$ 0,72 Porca Sextavada M6 20 un R$ 0,05 R$ 1,00 Porca Sextavada M8 24 un R$ 0,06 R$ 1,44 Parafuso Allen M6X20 14 un R$ 0,10 R$ 1,40 Rolamento Ø 26 mm 5 un R$ 10,00 R$ 50,00 Barra Roscada M6 585 mm - R$ 1,50 Barra Roscada M mm - R$ 4,75 Chapa SAE ,85 kg - R$ 40,00 Ferro Red. SAE ,90 kg - R$ 100,00 Tubo Red. SAE ,37 kg - R$ 5,00 Arduino (microcontrolador) 1 un R$ 85,00 R$ 85,00 Encoder Incremental 3 un R$ 300,00 R$ 900,00 Fonte Elétrica 12V 1 un R$ 50,00 R$ 50,00 Motor Elétrico 3 un R$ 200,00 R$ 600,00 Placa Eletrônica (Ponte H) 1 un R$ 30,00 R$ 30,00 TOTAL R$ 1.871,00

90 89 CONCLUSÃO Através deste trabalho buscou-se apresentar as etapas para a elaboração do projeto de um robô articulado, detalhando os componentes, acionamentos, sistema de transmissão, controladores e sensores de posição, além do desenvolvimento da modelagem cinemática para este tipo de robô, com o objetivo de utilizar componentes de baixo custo de fabricação. A construção do protótipo validou o emprego de utilização de motores elétricos de baixo custo na construção de robôs, como forma de acionamento alternativo, com resultado satisfatório na transmissão de potência para as juntas. O mecanismo apresentou em sua maioria, uma estrutura rígida, isenta de folgas, porém foi evidenciada a existência de flexão no eixo da junta rotativa número um, pelo fato de grande parte do peso da estrutura do manipulador estar concentrada no eixo localizado neste ponto. Sugere-se rever o dimensionamento deste eixo, a fim de evitar esta flexão. A transmissão de movimento através de rolamentos de esferas de baixo custo, nas três juntas, apresentou rigidez e inexistência de folgas. O controle do robô foi realizado usando um microcontrolador ATmega328P e uma da placa eletrônica Ponte H, controlando o acionamento dos motores através do software ARDUINO O sistema acionou as juntas, movimentando o manipulador em ambos os sentidos de rotação. Os processos de fabricação e materiais utilizados resultaram em peças de qualidade, com precisão e que não influenciaram na montagem final do robô ou em inconformidades, de modo que os custos finais do manipulador robótico podem ser considerados baixos, pelo fato de ter sido selecionado componentes alternativos, que permitiram a construção de um protótipo que se mostrou funcional, indo de encontro aos objetivos traçados. Para trabalhos futuros relacionados a este tema, sugere-se a incorporação de um efetuador final no mecanismo do robô para que seja possível verificar a precisão obtida através deste mecanismo, ou até mesmo, a programação de uma tarefa do tipo pick-and-place. Também sugere-se implementar um programa através da cinemática calculada neste trabalho.

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94 APÊNDICE A PROGRAMAÇÃO PARA ACIONAMENTO DA JUNTA 1 93

95 ANEXO A CATÁLOGO MOTOR BOCH 94

96 ANEXO B CATÁLOGO ENCODER HOHNER SERIE 75 95

97 96

98 ANEXO C CATÁLOGO ROLAMENTO NSK 97